某先期建設地鐵隧道為遠期地鐵預留下穿條件研究

梁 韻

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

某先期建設地鐵隧道為遠期地鐵預留下穿條件研究

梁 韻

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

為研究先期建設的地鐵隧道如何為遠期地鐵預留下穿條件，以某實際工程為例，針對兩線路的交叉節點，提出兩個預留方案，建立三維數值模型進行動態模擬，分析先期建設的隧道結構變形及預留支撐樁受力，從實施條件、安全性、經濟合理性等方面對兩個方案進行比較，最終選擇在交叉節點處施作預留支撐樁，且令該支撐樁兼做遠期下穿線路永久結構的方案設計預留工程，該方案已付諸工程實踐。

地鐵工程；區間隧道；遠期線路；預留工程

隨著城市軌道交通的迅速發展,地鐵網絡日益立體化、復雜化,先行建造的地鐵線路需要為遠期線路下穿提供預留條件的情況日漸增多,如何經濟合理地設計此類交叉節點的預留工程成為非常值得關注的問題。然而,目前國內對于該課題的研究為數較少［1-3]。以成都地鐵1號線南延線區間隧道與遠期12號線線路交叉節點處預留工程為實例,對地鐵遠期線路下穿區間隧道預留工程設計方案進行分析研究。

1 工程概況

成都地鐵1號線南延線起點―科技園站區間由世紀城站站后折返線工程終點接出沿天府大道西側綠化帶向南延伸到達科技園站,呈南北走向；根據線網規劃,地鐵12號線在此段范圍內線路沿天府三街路中布置,大致呈東西走向,并正穿1號線南延線起點―科技園站區間。由于地鐵12號線為遠期線路,不穩定因素較多,為提高12號線的適應性和外部條件發生變化時的可實施性,業主單位要求在12號線下穿起點―科技園站區間的交叉節點處按照即可滿足區間盾構穿過、又可滿足車站在此處暗挖的條件進行預留,同時應充分考慮12號線施工時1號線南延線的運營安全［4]。鑒于遠期車站下穿區間所需的預留條件更高,在確保滿足遠期線路區間盾構穿過要求的基礎上,按照12號線車站下穿區間的情況進行預留工程方案分析。

1號線南延線起點―科技園站區間起訖里程為YDK20+698.1～YDK21+214.0,結構形式為單層矩形框架結構,采用明挖法施工,圍護結構形式為樁+內支撐。遠期12號線車站從區間南端下方通過,下穿里程為YDK21+188.5～YDK21+210.6,車站下穿區間段采用單層雙柱三跨矩形斷面,區間兩側的端頭廳采用雙層雙柱三跨矩形斷面。該工程的平、剖面位置關系如圖1、圖2所示。

圖1 工程平面

1號線南延線起點―科技園站區間穿越的土層主要為黏土、細砂、卵石土,遠期12號線車站主要位于強、中風化泥巖層。下穿段,區間隧道頂板覆土厚約4.0 m,12號線車站頂板緊貼區間底板。遠期車站的端頭廳采用明挖法施工,下穿段采用暗挖法施工［5]。

圖2 工程剖面

2 預留工程方案

為使遠期12號線車站順利下穿起―科區間并保證區間運營安全,擬定2種預留工程方案(兩方案中支撐樁的凈距均需滿足遠期線路區間盾構下穿要求［6-9])。

方案一:(1)在遠期12號線下穿段一端,于本區間結構底板下方打設一排φ1 200 mm@2 400 mm的鉆孔灌注樁(C30混凝土)作為支撐樁,下穿段中部打設4根支撐樁(φ800 mm、C50混凝土,兼做車站主體結構柱),1號線南延線科技園站與區間接口處打設的圍護樁兼做下穿段的第4排支撐樁,待車站施工完成后施工區間時將該圍護樁鑿除至區間基底位置；(2)將區間結構進行加強,下穿段區間結構底板按照兼做遠期12號線車站受力頂板設計,并在區間底板相應位置設置支撐梁、暗梁。如圖3、圖4所示。

圖3 方案一平面（單位：mm)

方案二:(1)在遠期12號線下穿段的一端及中間,于本區間結構底板下方打設2排φ1 200 mm@ 2 400 mm的鉆孔灌注樁(C30混凝土)作為支撐樁, 1號線南延線科技園站與區間接口處打設的圍護樁(C30混凝土)兼做下穿段的第3排支撐樁,待車站施工完成后施工區間時將該圍護樁鑿除至區間基底位置；(2)將區間結構進行加強,下穿段區間結構底板按照兼做遠期12號線車站受力頂板設計。如圖5、圖6所示。

針對方案一與方案二,擬定遠期車站暗挖段的施工步序。

方案一暗挖段施工步序:①逐層開挖車站左側土體,并及時順序架設鋼支撐；②施作車站左側主體結構及防水層,待結構混凝土達到設計強度后依次拆撐；③逐層開挖車站右側土體,并及時順序架設鋼支撐；④施作車站右側主體結構及防水層,待結構混凝土達到設計強度后依次拆撐；⑤開挖車站中部土體,施作車站中部主體結構及防水層,使車站主體結構合龍。

方案二暗挖段施工步序:①逐層開挖車站左半幅土體,并及時順序架設鋼支撐；②施作車站左半幅主體結構及防水層,待結構混凝土達到設計強度后依次拆撐；③逐層開挖車站右半幅土體,并及時順序架設鋼支撐；④施作車站右半幅主體結構及防水層,待結構混凝土達到設計強度后依次拆撐；⑤鑿除中間的支撐樁,使車站主體結構合龍。

圖4 方案一剖面（單位：mm)

圖5 方案二平面（單位：mm)

圖6 方案二剖面（單位：mm)

3 三維數值模擬分析

為對比上述2種預留方案、給設計工作提供支撐和依據,依照2種方案分別建立三維有限元模型進行動態施工模擬。

3.1 模型說明與計算假定

建模范圍考慮到尺寸效應引起的計算誤差［10],計算范圍取:上邊界取至地表,下邊界為3倍車站結構高,左、右邊界距區間隧道外緣4倍區間寬度,前、后邊界取距車站外緣5倍車站寬度。模型寬90 m,高 60 m,長100 m。計算中土層采用實體單元模擬,區間、車站結構采用板單元模擬,樁采用梁單元模擬［11]。

采用MIDAS-GTS動態模擬整個施工過程,對計算模型作如下說明。

(1)土體的物理行為按德魯克-普拉格屈服準則、大變形模型計算,區間、車站結構、樁的物理行為按彈性材料模型計算,各種材料的計算參數見表1。

表1 各種材料的物理力學性質

(2)假定地表和各土層均成層均質水平分布。

(3)不考慮地下水在開挖過程中的影響。

2種方案的結構位置關系及支撐樁布置如圖7、圖8所示。

圖7 方案一結構位置關系及支撐樁布置

3.2 模擬結果分析

由圖9看出,方案一中,車站左側土體開挖完畢并施作結構后,下穿段區間結構變形成非對稱馬鞍狀,左側開挖面上方的區間結構豎向位移較大,最大值為1.23 mm；車站右側土體開挖完畢并施作結構后,下穿段區間結構變形成非對稱馬鞍狀,右側開挖面上方的區間結構豎向位移較大,最大值為1.39 mm；車站中部土體開挖完畢并施作結構后,下穿段區間結構變形成拋物線狀,最大豎向位移為1.59 mm。

圖8 方案二結構位置關系及支撐樁布置

由圖10看出,方案二中,車站左半幅土體開挖完畢并施作結構后,下穿段區間結構變形成非對稱馬鞍狀,左半幅開挖面上方的區間結構豎向位移較大,最大值為1.30 mm；車站右半幅土體開挖完畢并施作結構后,下穿段區間結構變形成非對稱馬鞍狀,右側開挖面上方的區間結構豎向位移較大,最大值為1.42 mm；車站中部土體開挖完畢、施作結構并拆除中間支撐樁后,下穿段區間結構變形成拋物線狀,最大豎向位移為1.52 mm。

圖9 方案一區間結構變形曲線

圖10 方案二區間結構變形曲線

分析上述區間結構的豎向位移,可知,由于方案一中車站左、右側土體的開挖跨度均小于方案二,故方案一第①、②施工步的區間結構豎向位移分別比方案二相應施工步小5.7%、2.2%；車站結構施工完畢后,方案一的區間結構豎向位移比方案二大4.6%,可見,雖然方案一每步的開挖跨度小于方案二,但因其開挖步序多、對土體擾動次數多,故引起的區間結構豎向位移略大于方案二。不過,兩方案中區間最大豎向位移值均可滿足區間安全運營的要求［12]。

由圖11、圖12可知,方案一中,兩側支撐樁的最大軸力為12 757 kN且軸力分布相對均勻,中部支撐樁的最大軸力為658 kN；方案二中,兩側支撐樁的最大軸力為12 843 kN。可見2個方案中,兩側支撐樁的最大軸力數值相差不大且均滿足強度要求。

圖11 方案一支撐樁軸力

圖12 方案二支撐樁軸力

綜合以上分析,兩方案的實施條件相近,當考慮遠期車站下穿區間時,根據計算結果,兩方案中土體開挖引起的區間結構變形接近,最大豎向位移值均可滿足區間安全運營的要求；而在方案一中,由于中部4根支撐樁可兼做車站結構柱,故較之方案二的鑿除中部支撐樁,減少了工程浪費,且支撐樁受力更加均勻、明確。所以,從確保區間結構安全性、滿足預留工程經濟合理性的角度出發,選擇方案一為最終設計方案。

4 工程實施

目前,1號線南延線起點―科技園站區間正在施工中,遠期線路下穿段區間隧道的預留工程已按照方案一施工。

5 幾點建議

根據本工程的設計、施工過程,提出以下建議:

(1)當出現先行建造的地鐵線路需要為遠期線路下穿提供預留條件的情況時,若遠期線路存在不確定性,為減少工程浪費,在交叉節點處可優先考慮施作預留支撐結構；

(2)經過技術經濟比選,在有條件的前提下,線路交叉節點處可采用預留支撐結構兼做遠期下穿線路永久結構的方式設計預留工程；

(3)設計兼做車站永久結構的支撐樁時,應充分考慮施工期間、正常使用期間的荷載,并在既有區間結構底板加設支撐梁；此外,為減少遠期線路車站施工時既有結構沉降、保證結構安全,可將下穿段區間結構底板按照兼做遠期線路車站受力頂板設計。

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Research on How to Reserve Interface Condition at an Early-stage Metro Tunnel So That a Planned Later-stage Metro Can Cross beneath It in the Future

LIANG Yun
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

U231

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.027

1004-2954(2014)07-0116-04

2014-01-10；

2014-02-10

梁 韻(1986―),女,工程師,2011年畢業于北京交通大學巖土工程專業,工學碩士,E-mail:cswx126@126.com。