暗挖下穿既有隧道的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

孟慶彬

浙江華展研究設(shè)計(jì)院股份有限公司 浙江 寧波 315010

引言

近年來，大部分城市都在著力建立完善的交通網(wǎng)絡(luò)，地鐵工程為其中的重點(diǎn)項(xiàng)目。地鐵工程利用了地下空間，對(duì)提高交通效率、緩解交通壓力具有重要的意義，能為城市創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。但地鐵工程屬于大型項(xiàng)目，其建設(shè)中的技術(shù)要求較高，我國在長期的地鐵車站項(xiàng)目建設(shè)中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了相對(duì)完善的施工技術(shù)體系。但面對(duì)暗挖下穿既有隧道的情況時(shí)，有關(guān)人員需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況優(yōu)化地鐵車站的結(jié)構(gòu)，減小施工作業(yè)對(duì)既有隧道的影響。

1 暗挖下穿既有隧道施工技術(shù)

1.1 隧道荷載分析

地鐵車站項(xiàng)目中如面臨暗挖下穿既有隧道情況，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)考慮隧道荷載大小，在此前提下優(yōu)化車站結(jié)構(gòu)。在分析隧道荷載時(shí)關(guān)鍵應(yīng)考慮圍巖松動(dòng)壓力，可通過以下方式來獲?。孩佻F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，就是安排專人進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)展開一系列測(cè)量，以得到完整、準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，可能因測(cè)量技術(shù)、設(shè)備等而影響結(jié)果準(zhǔn)確性。②理論公式計(jì)算，就是借助相應(yīng)理論，通過實(shí)踐分析來得到結(jié)果。但實(shí)際的工程中因?yàn)閲鷰r地質(zhì)有一定變化，在計(jì)算過程中的相關(guān)參數(shù)無法確定，再加上存在諸多因素影響，很難建立通用的圍巖壓力理論計(jì)算方法[1]。③經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法，也就是通過統(tǒng)計(jì)的方式考慮現(xiàn)場(chǎng)情況，但此方式下相關(guān)人員需有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，開展前期調(diào)研、統(tǒng)計(jì)大量的工程信息，通過圍巖分級(jí)得到圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)值，將此數(shù)值作為后續(xù)確定圍巖壓力的參考。此方式下的數(shù)據(jù)基本能代表現(xiàn)場(chǎng)的圍巖壓力。一些情況下隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果不能直接用在荷載設(shè)計(jì)中，針對(duì)此現(xiàn)象需選擇恰當(dāng)?shù)姆绞叫拚Y(jié)果。

1.2 監(jiān)控量測(cè)

地鐵車站建設(shè)中如遇到暗挖下穿既有隧道的施工情況，為減小地鐵車站施工對(duì)周邊建筑的影響，在工程現(xiàn)場(chǎng)必須開展監(jiān)控量測(cè)，以通過測(cè)量獲得的結(jié)果判定圍巖是否穩(wěn)定，選定設(shè)計(jì)與施工方式?，F(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)中需著力考慮地形地貌、支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)參數(shù)等來選定測(cè)量方式[2]。當(dāng)前的工程領(lǐng)域?qū)ΡO(jiān)控量測(cè)有較高要求，但這些量測(cè)項(xiàng)目中部分為必測(cè)項(xiàng)目，部分為選測(cè)內(nèi)容，施工現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)人員必須根據(jù)圍巖級(jí)別、作業(yè)條件來確定量測(cè)項(xiàng)目。通過規(guī)范化開展必測(cè)項(xiàng)目，能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)提供可靠保障。

1.2.1 既有隧道的監(jiān)測(cè)。針對(duì)既有隧道的量測(cè)，因?yàn)樵跍y(cè)量的專業(yè)性較高，必須將此項(xiàng)工作交由專業(yè)人員來負(fù)責(zé)，這些人員在用先進(jìn)量測(cè)技術(shù)、儀器獲得了量測(cè)數(shù)據(jù)后，能總結(jié)一套符合實(shí)際的地層穩(wěn)定性規(guī)律，了解現(xiàn)有隧道襯砌的受力特點(diǎn)、變化情況，并整合隧道結(jié)構(gòu)變形、沉降等對(duì)結(jié)構(gòu)施工的影響機(jī)理，從實(shí)際情況著手制定安全防控措施，以應(yīng)對(duì)后續(xù)施工中可能發(fā)生的事故。按照一般情況，在既有隧道的監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)在左右線隧道中線、新建工程中線交叉處、兩側(cè)對(duì)稱布置。

1.2.2 交叉點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。臨近交叉點(diǎn)位置極易出現(xiàn)施工安全問題，為減少這些問題，在現(xiàn)場(chǎng)也需展開一系列的監(jiān)控量測(cè)，增加監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。經(jīng)由監(jiān)測(cè)結(jié)果，專業(yè)人員可選定此位置的開挖工藝、確定爆破參數(shù)與起爆方式等，為后續(xù)施工作業(yè)提供可靠保障。

2 工程概況

某地鐵車站項(xiàng)目，其周邊分布有大量建筑物、交通線路密集，施工建設(shè)中涉及暗挖下穿既有隧道條件。結(jié)合本工程現(xiàn)場(chǎng)的情況調(diào)查，隧道全長1.84km，為明挖工藝。地鐵車站建設(shè)期間，對(duì)隧道雙孔閉合框架結(jié)構(gòu)有一定干擾，隧道頂板、底板、側(cè)墻、兩端墻厚分別為1m、1m、0.9m、0.7m、0.8m。工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水文條件復(fù)雜，包含雜填土、粉土填土、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土等，地下水充沛，有上層滯水、潛水、承壓水、層間水。潛水水位在車站中樓板處，承壓水水頭在車站底板以下1m。

3 車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)比

此地鐵車站工程中車站在既有隧道結(jié)構(gòu)下方，施工建設(shè)中主要可采用明挖法、蓋挖法、礦山法。根據(jù)此車站現(xiàn)場(chǎng)的情況，經(jīng)由技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等分析，最終選擇礦山法。

本車站施工建設(shè)中，難點(diǎn)在于控制地表沉降，不僅需保障車站施工作業(yè)，也需減小其對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。礦山法作業(yè)中，交叉中隔離法（CRD）下的開挖工作量大，斷面尺寸大，可能引發(fā)較大的地層沉降，與本工程項(xiàng)目的施工要求不一致；一次扣拱法下的導(dǎo)洞開挖斷面尺寸也相對(duì)較大[3]。從車站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況分析，最終選用了PBA工法，此工藝下具有諸多優(yōu)勢(shì)：導(dǎo)洞開挖斷面尺寸小，對(duì)既有隧道的地基擾動(dòng)??；如為平頂車站結(jié)構(gòu)，車站頂板應(yīng)與隧道底板緊密貼合，在構(gòu)建了柱體體系后，能作為隧道的支頂。綜上，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中采用PBA施工方式。

3.2 二襯結(jié)構(gòu)方案

以PBA工藝的普遍性作業(yè)流程分析，可將本車站建成拱頂車站，為將隧道沉降控制在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，車站與既有隧道應(yīng)有一定距離，以符合安全性施工要求。既有隧道底板埋深12.5m，如車站施工中與既有隧道之間保持5m的距離，車站頂板埋深為17.5m，此埋深數(shù)值較大，將同步增大車站樁基礎(chǔ)壓力，因?yàn)榛壮至拥鼗休d力雖有增長，但增長幅度有限，如樁基頂部荷載超出上限，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中需考慮更多因素，后續(xù)作業(yè)中也存在較大風(fēng)險(xiǎn)。另外，車站與既有隧道保持5m的距離，不利于隧道的沉降控制。

通過上述分析，可選擇將車站設(shè)計(jì)為平頂直墻斷面，使車站頂板與隧道底板緊密貼合。這一方式下不僅能大大減小埋深，還能從根本上控制荷載、車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸。另外，車站頂板密貼隧道的結(jié)構(gòu)下，車站能作為隧道的支頂，對(duì)預(yù)防和控制隧道沉降非常有效。

3.3 臨時(shí)支頂結(jié)構(gòu)體系

3.3.1 主體結(jié)構(gòu)導(dǎo)洞。地鐵車站中導(dǎo)洞為不可或缺的部分，在導(dǎo)洞中涉及諸多施工任務(wù)，如邊樁、中樁的機(jī)械化成孔作業(yè)、鋼管混凝土柱的安裝、冠梁與頂縱梁的澆筑作業(yè)。永久支頂體系建成以前，導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)為上方既有隧道的臨時(shí)支頂，在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中具有重要作用。

考慮在樁下、柱下是否有設(shè)置的條基，PBA工藝下此車站的導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式有以下三種，其對(duì)比結(jié)果如表1所示。

從上表可知，本車站建設(shè)期間應(yīng)采用4導(dǎo)洞施工方法?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中應(yīng)遵循4導(dǎo)洞施工規(guī)范，如在開挖階段，應(yīng)兩兩一組開挖，率先開挖1和3導(dǎo)洞，結(jié)束并通過驗(yàn)收后，滯后一個(gè)柱距開挖2和4導(dǎo)洞，或者在施工建設(shè)中可先開挖1和4導(dǎo)洞，滯后一個(gè)柱距開挖2導(dǎo)洞，最后滯后一個(gè)柱距開挖3導(dǎo)洞[4]。依據(jù)PBA工藝的施工情況，一般在導(dǎo)洞開挖中無嚴(yán)苛規(guī)定，技術(shù)人員與施工人員應(yīng)立足現(xiàn)場(chǎng)情況來確定開挖流程。針對(duì)本車站實(shí)際情況，需盡早構(gòu)成隧道的支頂體系，如在隧道完全貫通后立即設(shè)置邊樁，并開始冠梁混凝土的澆筑作業(yè)，能達(dá)到支頂目的。

經(jīng)過有關(guān)軟件的模擬分析，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中應(yīng)堅(jiān)持以下工序：1、4導(dǎo)洞施工、邊樁、冠梁作業(yè)、2、3導(dǎo)洞施工、中樁與結(jié)構(gòu)柱、其余結(jié)構(gòu)。

3.3.2 鉆孔灌注樁（邊樁、中樁）。車站施工過程中邊樁、中樁的豎向剛度相對(duì)較大，超過了導(dǎo)洞，且邊樁、中樁與上方既有結(jié)構(gòu)緊密貼合，在現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造了樁柱體系后，上方既有結(jié)構(gòu)的荷載通過鉆孔灌注樁傳輸，因此，車站結(jié)構(gòu)體系中的邊樁、中樁為第二套臨時(shí)支頂。

中樁結(jié)構(gòu)按照一柱一樁布置方式，本質(zhì)上為軸心受壓構(gòu)件，其承受的荷載較大，超過了邊樁承受的荷載，且中樁樁距超過邊樁樁距。為此施工建設(shè)中相關(guān)人員應(yīng)利用大直徑樁作為中樁。

結(jié)構(gòu)體系中單樁豎向承載力為核心指標(biāo)，施工人員應(yīng)通過經(jīng)驗(yàn)公式、現(xiàn)場(chǎng)樁基靜載試驗(yàn)的方式得到結(jié)果。根據(jù)本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的諸多情況，經(jīng)由一系列分析與計(jì)算，圍護(hù)邊樁樁長13m，柱下中樁樁長考慮了現(xiàn)場(chǎng)地層特點(diǎn)，部分長30m，一部分長22m。

在車站主體結(jié)構(gòu)導(dǎo)洞內(nèi)有關(guān)人員需嚴(yán)格按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)開展樁基靜載試驗(yàn)，經(jīng)由一系列分析后，設(shè)計(jì)樁長符合結(jié)構(gòu)施工標(biāo)準(zhǔn)。

邊樁與中樁施工中，重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注其承受的荷載情況、樁徑與樁長，因?yàn)槎叩倪@些參數(shù)差異，在樁頂部位的沉降值有大有小。在結(jié)構(gòu)施工中為防止車站頂板因邊樁、中樁的不均勻沉降而產(chǎn)生大彎矩現(xiàn)象，應(yīng)考慮采取相應(yīng)的措施控制邊樁、中樁的不均勻沉降。樁基沉降參照行業(yè)內(nèi)的沉降計(jì)算公式來得到，并同步計(jì)算圍護(hù)邊樁、柱下中樁沉降值。

3.3.3 鋼管混凝土柱。由于本地鐵車站工程的結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為保障結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性，同樣需做好鋼管混凝土的設(shè)計(jì)與施工。第二套臨時(shí)支頂構(gòu)件中鋼管混凝土柱不可或缺，雖僅為支頂結(jié)構(gòu)的一小部分，但其也為永久性結(jié)構(gòu)柱，在結(jié)構(gòu)體系中承受一定的豎向作用力。具體的設(shè)計(jì)過程中相關(guān)人員需分析現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，做好受力分析與計(jì)算，確保所選擇的設(shè)計(jì)方式能與結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等要求相一致。

本地鐵車站項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中首先應(yīng)做好鋼管混凝土柱的定位，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量工具，規(guī)范操作確保定位精度。結(jié)合行業(yè)內(nèi)的相關(guān)要求，允許定位偏差應(yīng)在2cm以內(nèi)，垂直度偏差應(yīng)在1/500以內(nèi)，在計(jì)算柱的承載力時(shí)施工人員應(yīng)分析允許偏差這一因素，并考慮地下車站結(jié)構(gòu)跨度均衡性不足或者存在施工偏載問題時(shí)的情況[5]。

結(jié)構(gòu)體系中鋼管混凝土柱并非獨(dú)立存在，其與其他構(gòu)件之間存在緊密聯(lián)系，為促進(jìn)鋼管混凝土柱與其他構(gòu)件的可靠連接，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況與結(jié)構(gòu)要求，選擇恰當(dāng)?shù)倪B接工藝，并以剛接節(jié)點(diǎn)來設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目中鋼管混凝土柱插入鉆孔灌注樁基礎(chǔ)一定深度，為符合結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)通過構(gòu)造處理方式錨固鋼管柱，此時(shí)柱與柱之間的約束作用就為剛接。鋼管柱與現(xiàn)澆中樓板梁的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中需達(dá)到梁端剪力傳遞、彎矩傳遞要求，因?yàn)楸拒囌鞠湫涂蚣芙Y(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，應(yīng)采取環(huán)形牛腿與雙梁相結(jié)合的形式，此形式的結(jié)構(gòu)簡單，施工便捷，更有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全目標(biāo)。

4 結(jié)束語

地鐵車站為當(dāng)前城市中的重點(diǎn)項(xiàng)目，其城市發(fā)展中的意義重大。但因?yàn)榈罔F車站施工的復(fù)雜性，特別是暗挖下穿既有隧道施工作業(yè)中相關(guān)人員需合理開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保障結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)性。未來針對(duì)暗挖下穿既有隧道的地鐵車站施工作業(yè)，專業(yè)人員需繼續(xù)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。