西安火車站咽喉區下地鐵車站設計與優化研究

翁木生

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

隨著我國城鎮化進程推進，人口越來越密集，交通壓力越來越大，地上地下立體化發展戰略是未來城市發展的必然趨勢[1-5]。地鐵具有安全、綠色、快速等優點，各大城市均逐步投入建設，但是地鐵線路具有不可預見性，又考慮到土地資源的緊缺性，地鐵下穿既有建筑的情況不可避免。關于地鐵下穿建筑物相互影響國內外已開展了多項專題研究，如地鐵隧道下穿地面高層建筑的相互影響[6]，地鐵隧道下穿既有線路的相互影響[7-8]，樁基施工與地鐵隧道相互影響[9-14]，基坑開挖對既有地鐵隧道的影響[15-16]，地鐵隧道施工對地表沉降變形的影響[17-19]等。可以看出，目前的研究多集中于地鐵區間施工與既有建筑物相互影響方面，而關于地鐵車站設計與優化研究相對較少，尤其是火車站咽喉區地跌車站的方案設計研究更是少見。地鐵車站是一個復雜的系統，關系到線位選擇和站位選擇問題，此外火車站咽喉區鐵路設施設備眾多，地質條件復雜，稍有不當，易導致此范圍內的鐵路設施、管網等因地面沉降而發生故障，影響其正常使用和安全。尤其道岔區對沉降更為敏感，如不能及時采取有效應對措施，將嚴重危及鐵路行車安全。

圖1 西安地鐵4號線平面概況

基于以上認識，以西安地鐵4號線下穿西安火車站咽喉區項目為依托，以火車站復雜地質條件下不同地鐵車站方案設計為切入點，基于線位比選和站位比選兩方面，開展考慮地質條件及上方火車站咽喉區等因素綜合影響的地鐵車站方案設計與優化研究，提出火車站咽喉區復雜地質條件下地鐵車站的優化設計方法，同時分析后續車站施工可行性，討論NTR施工方案的地表沉降控制難點，提出針對性控制措施，保障地鐵車站的安全建設。研究結果可為類似項目的地鐵車站方案設計提供參考。

2 工程概況

2.1 地鐵4號線概況

西安地鐵4號線線路全長36.3 km，共設車站30座(圖1)，火車站站為第16座車站，五路口站、含元路站為相鄰兩站。地鐵車站的推薦站位布置于國鐵站場下方，線路與國鐵站場斜交。地鐵車站上方為火車站咽喉區，該段范圍為碎石道床，區內有正線、到發線以及機務段檢修中心。地鐵下穿段落位于車站東側站場內，地鐵左線隧道下穿鐵路股道15股，其中復式交分道岔1組，單開道岔3組；地鐵右線隧道下穿鐵路股道14股，其中單開道岔3組，且站場區內有大量接觸網及信號設備。地鐵車站北側為F3地裂縫，F3地裂縫與大明宮南宮墻垂直距離約150 m，地裂縫地質條件較差，存在地層軟硬不均及發生不均勻沉降現象，地裂縫對車站施工和后期運營均具有不利影響，尤其對車站整體受力情況不利，因此車站設置應與地裂縫保持一定距離，盡量減小地裂縫對車站的不利影響。

2.2 工程地質條件

圖2 西安火車站地質縱斷面

2.3 線位比選

結合目前國鐵西安站改造及火車站綜合交通樞紐分布情況，為了便捷與國鐵、公交、南北廣場客流的流通與疏散，減小對北側大明宮遺址公園及南側解放路兩邊商業的影響，首先對多種線路方案、多種站位布置進行了詳細的研究和比選。初步勘察給出3種線位選擇。方案1與國鐵站場垂直相交，方案2為北廣場站位，站場下出站通道東側，方案3為南北廣場均設站方案。經過對比分析可知，線路方案2下穿解放飯店2層部位，區間長度最短，穿越建筑物較少，施工風險相對較小；線路長度較短，線型較順直，曲線半徑相對其他方案較好；下穿大明宮保護范圍較少，可確定為最佳線位，后續分析均以方案2走向作為基礎。如圖3所示。

圖3 線位走向比選示意

2.4 地鐵車站設計思路

線路在火車站站前下穿解放飯店、城墻門洞處、站場軌道咽喉區；地鐵線路局部侵入大明宮保護范圍，出站后下穿大明宮城墻。下穿大明宮望仙門，與丹鳳門的距離約為220 m。與F3地裂縫夾角約為80°，推薦站位如圖4所示。車站受F3地裂縫的影響，避讓地裂縫120 m，與國鐵改造同期實施。地鐵車站為地下2層車站。通過設置市政聯絡通道實現與國鐵、南北廣場的接駁。且設置通至南北廣場上的地鐵出入口。車站長191 m，寬24.7 m，高15.84 m。主體建筑面積12 800 m2，軌面埋深(2層)17.4 m，覆土4 m。與國鐵出站通道高差1.8 m。

圖4 站位設計

圖5 NTR工法剖面

3 NTR方案設計與分析

3.1 NTR法概述[20-21]

NTR法是利用小口徑頂管機建造大斷面地下空間的施工技術，國外已有20年的發展歷程，應用于穿越道路、鐵路、結構物、機場等下方的開挖工程，取得了較好的效果，該工藝在國內首次成功應用于沈陽地鐵2號線新樂遺址站[22]。NTR工法作為新型地下結構暗挖工法，對解決困難條件下的地下結構施工有其獨特的優勢， 采用NTR工法修建暗挖單拱大跨地鐵車站， 具有空間較大， 建筑景觀效果好等優點。在NTR工法大直徑鋼管頂進施工過程中，頂部鋼管的施工是減少地表沉降的關鍵，因此頂部水平鋼管施工過程中應特別加強注漿工藝等相關技術處理措施，以最大程度地減少地表沉降。

3.2 NTR車站建筑方案

地鐵車站位于西安火車站站場咽喉區下，西安站改擴建新建出站通道東側，與站場斜交，車站擬采用NTR暗挖工法施工。根據NTR法施工工藝要求，需考慮大直徑鋼管的頂進、管間注漿止水等施工工序及工藝的要求，本工程設置南北兩個豎井，南北豎井平面尺寸分別為18.6 m×30.8 m，43 m×30.8 m。車站頂板距火車站站場軌面基礎以下14.5 m，以國鐵火車站站臺為正負零高程，地鐵車站軌面埋深29.9 m，底板埋深34.1 m，車站站廳距國鐵出站通道15.6 m；車站高19 m，寬26.808 m(圖5)。

根據火車站站設計總平面圖，車站總長221.1 m，暗挖段長162.2 m。NTR法施工時不需降水，共設28根鋼管，其中管徑2 m的共20根(圖6中紅色鋼管)，管徑2.4 m的共8根(圖6中藍色鋼管)。

NTR工法施工工藝流程如下(圖7)。(1)開挖車站南北兩側豎井，利用南北兩側豎井，按頂管施工工藝分層從上到下依次完成鋼管頂進施工。頂管施工時由始發井向接收井頂進。頂進采用土壓平衡頂管進行施工。鋼管間進行全長注漿，注漿孔設置在管周上下左右45°位置。(2)從中間位置開始分步割除管間管壁，補焊防水、固定鋼板，設置鋼板支護，形成管廊空間，應注意跳作。(3)分段進行鋼筋安裝，模板支設及混凝

圖6 NTR工法施工橫斷面(單位：mm)

土澆筑施工，形成貫通的底板、拱肋、肋間殼及拱內縱梁結構。(4)分段、分層開挖圖示范圍土方。施作主體小導洞、破除部分結構內側鋼管，施工立柱基礎。(5)施工立柱，破除中板位置內側鋼管后進行中板結構鋼筋混凝土施工。(6)破除剩余部分結構內側鋼管，回填及施作車站內部結構。

4 NTR沉降控制數值分析

4.1 車站主體施工數值模擬

車站數值模擬分析采用MIDAS-GTS軟件，二維平面應變模型進行模擬計算，模型幾何尺寸53 m×126 m，隧道斷面寬26.808 m，高19 m，位移邊界條件，隧道兩側距離模型邊界為50 m，如圖8所示。

圖7 NTR工法施工流程剖面示意

圖9 地層豎向位移等值線

圖8 計算模型

計算模擬的施工過程分為：(1)鋼管頂進；(2)割除管間鋼板，澆筑二襯鋼筋混凝土；(3)分層開挖隧道范圍內土體。各個階段地層豎向位移等值線如圖9所示。

由以上結果可知，隧道開挖以前，鋼管內二襯澆筑后對應的拱頂處地層最大沉降量為11.3 mm，地表路基最大沉降量為9.6 mm，隧道內土體分層分步開挖，引起拱頂處豎向地層的最大沉降值達到29 mm，地表路基最大沉降量為22.7 mm。相對而言，鋼管頂進與二襯澆筑成環過程中引起的拱頂處地層沉降量占到最大沉降量的39%。這是因為大直徑鋼管長距離的頂進，造成了土體的擾動，引起初步沉降，隧道土體開挖形成臨空面，荷載釋放明顯，引起了更明顯的沉降。進一步觀察發現，隧道拱頂處地層的沉降量在大規模土方開挖過程中，有回彈的現象，這與隧道洞身范圍內大規模土方開挖引起地層的卸載回彈有關。

根據《鐵路路基設計規范》，Ⅰ級鐵路工后沉降不應大于20 cm。鐵路路線修理規則規定車速小于120 km/h時，鐵路線路軌道靜態容許偏差管理值為6 mm，臨時修補狀態可放寬到10 mm；軌道動態容許偏差管理值為8 mm，臨時修補狀態可放寬到16 mm。根據數值計算結果可看出，車站施工引起的地表路基沉降雖未超過規范要求，但較軌道動態容許偏差管理值大，好在地層的沉降是個連續的漸變過程，因此在施工過程中及時聯系鐵路部門，根據監測數據，通過增加墊片、補充道砟等措施，可保持線路平順，滿足鐵路行車安全。

4.2 沉降控制因素與措施

NTR工法在施工時有兩大步驟是沉降發生相對較大的過程，也是本工程沉降控制兩大重點和難點，分別是頂管過程和鋼管切割及支護形成底板、肋、梁、殼空間的施工過程。此外車站主體與附屬橫向開洞亦屬于施工的重難點，但橫洞斷面相對較小，本文不作為重點研究對象。

頂管過程沉降控制措施：(1)頂管施工前做好試驗工作，為頂管施工提供可靠的施工技術參數，尤其是潤滑泥漿的各項參數；(2)頂管過程中及時跟進測量監測工作，及時反饋監測信息，根據監測結果合理調整施工參數；(3)頂管過程中做好同步注漿、洞口注漿及補漿工作，保證泥漿套的合理壓力，對地層形成補償作用。同時洞門密封對泥漿套的保壓作用至關重要，做好洞門密封工作；(4)鋼管頂進完成后及時用水泥漿液對膨潤土泥漿套進行置換。

NTR工法鋼管切割及支護過程沉降控制措施：(1)鋼管切割時嚴格按照設計要求分段切割，每段又分兩步切割，第一步每切割1 400 mm隔1 000 mm，第二步切割隔下的1 000 mm，每一步每切割一次鋼板必須及時焊接防水板、固定鋼板及支撐，然后再進行下一塊切割作業；(2)鋼板應及時按照切割尺寸加工好，切割完成后必須及時進行焊接防水板、固定鋼板及支撐作業，保證每一步作業及時跟進；(3)鋼管切割支護完成后及時進行管外注漿；(4)保證鋼板支撐及安裝質量，嚴格按照設計位置進行支撐作業。一旦板、肋、殼等空間形成后，及時跟進模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等作業，施工質量、速度是控制沉降最有效的方法。

5 結論與建議

(1)基于火車站復雜地質條件及建設條件，開展地鐵線路比選和站位比選研究，綜合考慮建設安全及換乘方便等因素，提出地鐵車站的優化設計方案，方案2為最佳線位走向，施工規劃滿足工期要求。

(2)討論了地鐵車站NTR施工方案，采用數值手段分析不同施工階段的位移變化規律，地鐵車站采用NTR工法施工，鋼管澆筑對應拱頂處地層最大沉降量為11.3 mm，地表路基最大沉降量為9.6 mm土體分層分步開挖引起拱頂處豎向最大沉降值達到29 mm，地表路基最大沉降量為22.7 mm，較軌道動態容許偏差管理值大，需通過增加墊片、補充道砟等措施，確保鐵路行車安全。

(3)頂管過程和鋼管切割及支護形成底板、肋、梁、殼空間的施工過程是沉降控制難點，針對施工沉降控制難點過程提供對應的控制措施，保障施工的順利進行。