暗挖下穿既有隧道的地鐵車站結構設計

焦健

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100037）

暗挖下穿既有隧道的地鐵車站結構設計

焦健

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100037）

受限于周邊場地條件，某地鐵車站下穿既有城市隧道設置。車站采取了平頂密貼既有隧道底板的結構方案；同時，采用PBA工法施工地鐵車站，先后借助車站主體結構上導洞、車站樁柱體系，與四周土體共同作為既有隧道的臨時支撐體系，保證地鐵施工和運營期間既有隧道的正常運營使用。

地鐵；PBA工法；下穿建筑物

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.005

1 引言

隨著北京市軌道交通線網日益密集，新建地鐵車站所處的環境也變得越來越復雜。北京地鐵15號線奧林匹克公園站下穿既有的城市隧道設置。復雜的場地條件給車站結構設計帶來了困難。

2 工程概況

2.1 站址周邊環境

奧林匹克公園站位于奧運中心區，北京市中軸路西側，大屯路隧道正下方，與大屯路隧道同呈東西向平行布置。

車站東北側及東南側為銀杏樹陣；東側臨近公交換乘節點、奧運下沉廣場以及南北走向的奧林匹克公園景觀大道；西南側為國家會議中心，西北側為綠地。站址周邊環境如圖1所示。

圖1 站址周邊環境

2.2 大屯路隧道概況

大屯路隧道位于奧林匹克中區內，西至北辰西路，東至北辰東路，全長約1.84km，隧道結構采用明開挖施工。車站施工影響范圍內的隧道結構主要為雙孔閉合框架，隧道的頂、底板均為1.0m，側墻為0.9m，兩端墻厚0.7m，中隔墻厚0.8m。隧道結構單跨凈寬15.9m，結構凈高7.4m。如圖2所示。

2.3 工程地質水文概況

本工程場地勘探范圍內的土層劃分為人工堆積層（Qml）、第四紀全新世沖洪積層（Q4al+pl）、第四紀晚更新世沖洪積層（Q3al+pl）三大類，由上至下分別為①粉土填土、①1雜填土、③粉土、③1粉質黏土、③2黏土、④粉質黏土、⑥粉質黏土；車站底板位于⑥粉質黏土層。

場地范圍內存在4層地下水，地下水類型分別為：上層滯水（一）、潛水（二）、層間水（三）、承壓水（四）。其中，潛水（二）水位位于車站中樓板位置，承壓水（四）水頭位于車站底板以下1m。

3 車站主體結構設計方案

3.1 結構設計要點

由于本站位于既有隧道結構下方，地鐵車站常用的3種施工法中，明挖法、蓋挖法在此不具備可實施性，因此只能采用礦山法施工。

下穿既有隧道施工，控制地層沉降，保證既有隧道的結構安全及正常運營，是本站設計施工的關鍵所在。在礦山法中，交叉中隔壁法（CRD法）開挖斷面過大，引起地層沉降大，用于本站施工顯然不具備優勢；新興的一次扣拱法同樣存在導洞開挖斷面大的問題。較之上述2種工法，PBA工法用于本站則有著獨到的優勢：（1）導洞開挖斷面小，對大屯路隧道地基削弱范圍??；（2）若采用平頂車站結構，車站頂板密貼大屯路隧道底板，那么樁柱體系形成后，能夠形成對大屯路隧道的有效支頂。因此，本站選擇采用PBA工法施工。

目前，北京地區的暗挖車站普遍采取管井降水的方式，而降水作業也會引起地層及大屯路隧道的沉降，因此盡可能縮短降水周期也是控制大屯路隧道沉降的有效措施之一。

3.2 二襯結構方案

如果按照PBA工法常規做法，將本站設計成拱頂車站，為了控制大屯路隧道沉降，車站與大屯路隧道之間必須留有足夠的安全距離。大屯路隧道的底板埋深已經達到約12.5m，假定預留5m的安全距離，車站的頂板埋深將達到17.5m。如此大的埋深，會導致車站樁基礎的壓力變得過大，在基底持力層地基承載力fa增長有限的情況下，過大的樁基頂部荷載將增加基礎的設計難度和工程風險。何況5m的安全距離也很難保證車站施工過程中大屯隧道結構的沉降控制在評估單位限定的允許變形范圍內（大屯路隧道評估單位提出隧道的絕對沉降不得大于50mm，隧道中墻與邊墻的差異沉降不得大于8mm）。

因此，考慮將車站設計成平頂直墻斷面，令車站頂板密貼大屯路隧道底板。不但能夠因為埋深減小而降低設計荷載，減小車站結構構件尺寸；更重要的是，車站頂板密貼大屯路隧道的結構設計，能夠在車站施工過程和運營過程中形成對大屯路隧道的支頂，減小大屯路隧道因地基削弱而產生的結構沉降。

車站主體結構與大屯路隧道的剖面關系如圖3所示。

圖3 車站主體結構與大屯路隧道橫剖面圖

3.3 臨時支頂結構體系

3.3.1 主體結構導洞

導洞是車站施工的先導結構，在導洞內需要完成邊樁、中樁的機械化成孔施工，鋼管混凝土柱的安裝以及冠梁和頂縱梁的澆筑施工；同時，在永久支頂體系形成之前，導洞結構又是上方既有隧道的第一套臨時支頂構件。

根據樁下和柱下是否設置條基，PBA工法車站可采用8導洞、6導洞、4導洞的結構形式[1]，表1對這3種結構形式做了比選。

表1 導洞方案比選表

從表1比選可以看出，選擇4導洞施工方案對控制大屯路隧道結構變形更為有利。

4個導洞的開挖順序，一般是兩兩一組進行開挖?？梢韵乳_挖1、3號導洞，滯后一個柱距開挖2、4號導洞（導洞編號由一側邊導洞向另一側邊導洞依次增加）；也可以先開挖1、4號導洞，滯后一個柱距開挖2號導洞，再滯后一個柱距開挖3號導洞。一般PBA車站對導洞開挖步序沒有特別要求，上述2種方式都可以選擇。而對密貼大屯路隧道施工的本站來說，盡快形成對隧道的支頂體系是至關重要的。若能在邊導洞貫通后，馬上打設邊樁、澆筑冠梁，則能初步形成對大屯路隧道的支頂。為了驗證這一思路，采用數值模擬程序FLAC3D對上述兩種施工步序進行了仿真模擬計算，對計算結果進行了對比。

根據場區的工程地質剖面圖，對地層分布進行簡化；根據地質勘察報告中所給的土層相關參數，并參考北京地區其他相關工程的地質資料，確定各個數值計算模型中地層的厚度和物理力學參數。

計算模型如圖4所示，其中，車站結構及大屯路隧道結構放大后如圖5所示。

圖4 整體計算模型

模擬施工時主要分為導洞開挖、樁柱體系形成、車站上層開挖、車站下層開挖幾個施工步序。大屯路隧道結構底板在各施工步序產生的沉降如表2、表3所示。

圖5 模型局部

表2 大屯路隧道底板沉降——施工步序一

表3 大屯路隧道底板沉降——施工步序二

由表2、表3對比可見，按照步序一施工比按照步序二施工產生的大屯路隧道沉降略小，因此本站采取如下施工步序：施工1、4號導洞→施工邊樁、冠梁→施工2、3號導洞→施工中樁、結構柱→施工車站其余結構。

為了彌補主體結構導洞開挖對大屯路隧道地基的削弱，需要做好導洞間土體的注漿加固。對導洞間土體的注漿采取從導洞掌子面斜向打設袖閥管進行后退式注漿，每10m為一

圖6 主體結構導洞間注漿加固范圍

3.3.2 鉆孔灌注樁（邊樁、中樁）

由于邊樁及中樁的豎向剛度遠大于導洞結構，且二者均與上方既有結構密貼，因此樁柱體系形成后，上方既有結構的荷載便經由鉆孔灌注樁傳至深層地層中，邊樁與中樁（包括中柱）因此成為第二套臨時支頂構件。

中樁采用一柱一樁布置，為軸心受壓構件。中樁承受的荷載略大于邊樁所受荷載，且樁距遠大于邊樁樁距，因此中樁選擇大直徑樁。

單樁豎向承載力標準值采取經驗公式與現場樁基靜載試驗相結合的方式獲得。經驗公式參照《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范》（DBJ11—501—2009）式9.2.4，經計算，圍護邊樁樁長為13m，柱下中樁樁長依據地層變化分為30m長和22m長2種規格。

現場樁基靜載試驗在車站主體結構導洞內進行。進行一定數量的靜載試驗結果表明，設計樁長能夠滿足設計荷載要求。

由于邊樁與中樁所受荷載條件及自身樁徑、樁長均有明顯差別，因此樁頂處的沉降值亦有差別[2]。為了減小車站頂板結構因邊樁與中樁的不均勻沉降而產生過大的彎矩，需控制好邊樁與中樁的不均勻沉降。樁基沉降按《建筑樁基技術規范》（JGJ94—2008）中的沉降計算公式計算圍護邊樁及柱下中樁的沉降值。該法采用Mindlin解考慮樁徑影響，計算樁端平面以下的豎向附加應力，按單向壓縮分層總和法計算樁端的最終沉降量。邊樁、中樁的沉降計算值分別為10.9mm和22.6mm。

現場樁基靜載試驗中的邊樁和中樁的沉降值分別為3.5mm和5.2mm。

樁基沉降的計算值偏大，認為是由于樁頂豎向荷載在沿樁向下傳遞過程中出現了向周圍土層擴散的現象，導致樁端處的實際荷載遠小于計算荷載。

3.3.3 鋼管混凝土柱

鋼管混凝土柱是第二套臨時支頂構件的一部分，但同時也是永久結構柱，是施工和使用過程中的豎向受力構件。設計應結合本工法實際施工過程和受力特點，滿足施工和使用期間各階段的強度、剛度及穩定性要求，重點注意以下幾方面。

1）鋼管混凝土柱的定位是施工的一大難點，施工中應嚴格控制其定位精度?，F行規范規定，允許定位偏差不大于20 mm，垂直度偏差不宜大于1/500，在柱的承載力計算中應考慮施工允許偏差的影響，另外還應計及地下車站結構跨度不均衡或施工偏載產生的柱頂彎矩的影響。

2）上下柱腳、中間節點連接及作用特性。鋼管混凝土結構與其他構件之間的連接應按剛接結點進行設計，對于本工法，鋼管混凝土柱需插入鉆孔灌注樁基礎內一定深度，并采取一定的構造措施將鋼管柱予以錨固，柱與樁基礎之間的約束作用可視為剛接。鋼管柱與現澆中樓板梁的連接節點設計，應滿足梁端的剪力傳遞和彎矩傳遞，考慮到地鐵車站箱型框架結構的受力特性，建議采用環形牛腿+雙梁的結構形式，此形式構造簡單、受力明確、施工質量易于控制，較適用于地下工程。

4 結論

1）目前車站已經建成通車，從施工的情況來看，大屯路隧道底板沉降基本控制在評估允許值以內，局部沉降超過了50mm，位于橫通道進主體結構導洞處的上方。經分析是由于橫通道開洞處，洞門處的臨時支頂構件（型鋼）未能起到應有作用。

2）4導洞的PBA車站在沉降控制方面具有一定的優勢，但方案可行與否還受到地層條件與成樁設備的限制。圍護邊樁與柱下中樁均采用在導洞內成樁的工藝，且柱下中樁的尺寸一般較大（本工程中樁直徑為1800mm），若地層中卵石層厚度大，那么在凈空有限的導洞內施工如此大的鉆孔灌注樁，對成樁設備的改造也是一件難度不小的事。在本工程中，樁基穿越地層主要為粉土、粉質黏土，采用反循環鉆機鉆進成孔，樁基施工質量還是比較理想的。

【1】楊秀仁.淺埋暗挖洞樁（柱）逆作法設計關鍵技術分析[J].都市快軌交通，2012，25（2）:64-68.

【2】王元湘.蓋挖挖逆作法在我國地鐵工程中的應用[J].土木工程學報，1996，29（1）:3-14.

The Design of a Metro StationUndercrossing an Existing Tunnel

JIAO Jian
（BeijingUrbanConstructionDesign&DevelopmentGroupCo.Ltd.,Beijing 100037，China）

Limited bythesurroundingsitecondition,ametrostationislocatedunder an existingcitytunnel.To support the above tunnel structure,theflatroofofthestationisintightcontactwiththetunnelfloor.Otherwisethestationisconstructedbypile-beam-archmethod,and duringtheconstructionprocedureofthestation,upperpilotheading,pileandcolumnserveastemporarysupportcomponentssuccessivelyto keepthecitytunnelinnormalcondition.

metro;pile-beam-archmethod;crossunderneathstructure

TU921

B

1007-9467（2016）06-0038-04

2016-02-16

焦健（1981～），男，河北唐山人，工程師，從事地鐵結構工程設計與研究，（電子信箱）29751153@qq.com。