地鐵車站暗挖工法實(shí)例比選分析

張國(guó)良（中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300132）

地鐵車站暗挖工法實(shí)例比選分析

張國(guó)良
（中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300132）

在繁華市區(qū)主干道下修建地鐵，尤其在不允許交通中斷的前提下，暗挖法成為一種較優(yōu)的方案。以徐州某地鐵車站為例，對(duì)“洞柱法”和“中洞法”方案進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，從工程地質(zhì)、適用條件等方面進(jìn)行了綜合比選，并對(duì)兩方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：“洞柱法”對(duì)周邊環(huán)境影響較小，受力體系優(yōu)于“中洞法”，研究成果可供繁華中心城區(qū)暗挖施工地鐵車站參考。

暗挖法；洞柱法；中洞法；方案比選；地鐵車站

1 引言

地下空間和城市軌道交通的快速發(fā)展，車站施工工法越來(lái)越多的受周邊環(huán)境、工程水文地質(zhì)及交通的影響。已由原來(lái)的明挖法逐步向暗挖法、明暗挖結(jié)合和蓋挖法等多種工法轉(zhuǎn)變［1］。當(dāng)車站位于繁華市中心且位于城市主干道正下方，交通不容許中斷，暗挖法成為一種必然選擇［2］。

文獻(xiàn)［3-5］可知，暗挖地鐵車站結(jié)構(gòu)形式主要有：多拱多跨單（雙）層車站、單拱單（雙）層車站、分離式單拱單（雙）層車站等，相應(yīng)的根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用的施工方法主要有：洞樁法、樁柱法、中洞法、側(cè)洞法、洞柱法、拱蓋法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。北京地鐵暗挖車站主要位于砂卵石層中，施工方法以洞樁法為主；青島、重慶地層以硬巖為主，施工方法以雙側(cè)壁導(dǎo)坑為主，對(duì)本文的車站工法選擇有一定的參考價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)暗挖車站做了大量研究。其中，梁韻［3］歸納整理了國(guó)內(nèi)外典型暗挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)各結(jié)構(gòu)形式的受力特征、所適應(yīng)的地層條件等進(jìn)行比較分析，提出暗挖地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式選取原則；許洪偉等［4］結(jié)合青島某地鐵車站對(duì)拱蓋法進(jìn)行了受力分析，進(jìn)而優(yōu)化了上半斷面的設(shè)計(jì)參數(shù)，為相同地層提供了工程類比的實(shí)例；董惠定等［5］結(jié)合北京地鐵，對(duì)暗挖車站所采用的幾種暗挖施工方法進(jìn)行比選，總結(jié)了這些暗挖施工方法的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)；齊萬(wàn)鵬［6］結(jié)合北京地鐵，利用數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)大跨地鐵車站淺埋暗挖法的安全性及其對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響進(jìn)行了較為深入的研究，明確了各個(gè)施工方法之間對(duì)于地表環(huán)境、管線、土體條件、施工條件、工程造價(jià)等因素的相對(duì)重要程度，進(jìn)而得出不同的車站結(jié)構(gòu)形式采用不同的施工方法。綜上，眾多學(xué)者的研究成果為本文提供了依據(jù)。

隨著數(shù)值模擬計(jì)算越來(lái)越多的運(yùn)用于地下工程，在暗挖工法的選擇上，不應(yīng)僅僅通過(guò)工程類比確定施工設(shè)計(jì)工法，更應(yīng)該加入數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)指導(dǎo)其施工設(shè)計(jì)［7］。本文結(jié)合徐州市某地鐵暗挖車站，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算、工程類比對(duì)暗挖車站的工法選擇進(jìn)行實(shí)例分析，為進(jìn)一步的施工提供堅(jiān)實(shí)有力的基礎(chǔ)。

2 工程概況

2.1 車站概況

徐州市某地鐵車站為1、2號(hào)線換乘站，兩線設(shè)置聯(lián)絡(luò)線，站后設(shè)置單渡線，1、2號(hào)線車站同期實(shí)施。其中1號(hào)線車站位于淮海路正下方，2號(hào)線車站位于中山北路東側(cè)(占用兩個(gè)機(jī)動(dòng)車道)，淮海路和中山路均為徐州市的主干道，雙向七車道+2非機(jī)動(dòng)車道。車站位于徐州市重要的城市商業(yè)中心，建筑物密集，大型商場(chǎng)較多，且均為高層或小高層。地面交通繁忙，需要保證道路交通連續(xù)暢通，車站總平面圖如圖1所示。

圖1 地鐵車站總平面圖

2.2 工程地質(zhì)概況

本車站所處的地層從上到下依次為：雜填土、老城雜填土、粉質(zhì)粘土、粘土、中風(fēng)化巖層等，其中上層雜填土較厚，平均厚度為9～12m，對(duì)車站較為不利，地質(zhì)縱斷面圖如圖2所示，各地層主要物理參數(shù)如表1所示。場(chǎng)區(qū)地下水（潛水）埋深約1.45～3.50m，水位標(biāo)高約29.07～36.63m；巖溶裂隙水水位埋深為7.40～7.90m，水位標(biāo)高為25.23～25.25m，具有承壓性。

圖2 車站地質(zhì)縱斷面圖

表1 地層主要物理參數(shù)表

3 施工工法的比選

受中心時(shí)尚大道不拆遷及淮海路不允許中斷等條件的制約，車站需在時(shí)尚街區(qū)結(jié)構(gòu)和淮海路正下方進(jìn)行暗挖施工。根據(jù)暗挖法車站的結(jié)構(gòu)形式，目前施工常用的施工方法主要有“中洞法”、“側(cè)洞法”、“洞樁法”、“樁柱法”、“雙側(cè)壁導(dǎo)坑法”等工法。根據(jù)車站周邊建構(gòu)筑物形式、車站功能要求、線路條件、車站埋深等綜合比選，1號(hào)線車站采用雙柱兩層車站。

結(jié)合眾多學(xué)者的研究成果［1-6］，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及地質(zhì)縱斷面綜合判斷，為保證施工安全、避免在地面及工作面內(nèi)對(duì)雜填土進(jìn)行處理，需將暗挖拱頂標(biāo)高壓低至⑤3-4硬塑狀粘土層中，頂拱距離⑤3-4硬塑性粘土和雜填土分界面3m。

3.1 方案一

方案一車站采用“洞柱法”施工，“洞柱法”適用于三跨雙層車站，適合于站臺(tái)寬度大于11m的地鐵暗挖車站，是使用功能較好的斷面形式，在北京、沈陽(yáng)和哈爾濱等城市地鐵中已有較多的成功實(shí)例。由于中間兩柱的減跨，使得每跨的開(kāi)挖跨度不超過(guò)8m，施工安全性高，風(fēng)險(xiǎn)小，結(jié)構(gòu)受力體系簡(jiǎn)單明了。車站橫斷面如圖3所示，洞柱法施工車站步驟如圖4所示。

圖3 方案一車站橫斷面圖（單位：mm）

圖4 洞柱法施工工序圖

3.2 方案二

方案二采用中洞法施工，車站結(jié)構(gòu)采用雙柱雙層單跨形式，采用中洞法+CRD法施工。結(jié)構(gòu)如圖5所示，施工步驟如圖6所示。單拱雙柱車站可以獲得寬敞的空間，多用于巖石地層，近年來(lái)在第四紀(jì)地層也有采用的實(shí)例，但其施工難度較大、開(kāi)挖跨度大，起拱高、技術(shù)較復(fù)雜。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，結(jié)構(gòu)站廳層基本位于硬塑狀粘土中，站臺(tái)層基本位于中風(fēng)化灰?guī)r、中風(fēng)化砂巖中。在工可階段，地勘資料不夠詳細(xì)，因此暫推薦此工法。

圖5 方案二車站橫斷面圖（單位：mm）

圖6 中洞法施工工序圖

3.3 方案比選

根據(jù)眾多學(xué)者對(duì)柱洞法和中洞法的研究成果［13-14］，對(duì)洞柱法和中洞法進(jìn)行了大量研究，二者在適用條件、周邊土體變形、工期、防水和初期支護(hù)拆除量和造價(jià)角度進(jìn)行了比較，如表2所示。

表2 方案比選

4 數(shù)值計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

利用Midas-GTS巖土有限元軟件對(duì)兩個(gè)方案建立二維平面應(yīng)變模型，以初始自重應(yīng)力場(chǎng)為基準(zhǔn)，模擬車站開(kāi)挖工序［8-9］：（1）并生成自重應(yīng)力；（2）殺導(dǎo)洞①土體單元，進(jìn)行應(yīng)力釋放，釋放系數(shù)為30%；（3）激活初期支護(hù)，釋放剩余應(yīng)力70%，按此順序，逐個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖并支護(hù)；（4）施工完⑦、⑧導(dǎo)洞初支后，開(kāi)始施工車站底板、中間鋼管樁、頂拱和中板，在模型中，激活對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元；（5）殺死⑨號(hào)導(dǎo)洞土體單元，激活初支，依次順序殺死10、11、12號(hào)導(dǎo)洞土體單元，激活對(duì)應(yīng)的初支單元；（6）殺死車站斷面范圍內(nèi)的初支單元，激活車站二襯和剩余中板、側(cè)墻、底板結(jié)構(gòu)單元。

為消除邊界效應(yīng)，模型尺寸為130m（寬）×70m（高），如圖7所示。模型中土體視為理想M-C彈塑性模型［10］，土體采用平面應(yīng)變4邊形單元，初支及二襯采用梁?jiǎn)卧M，分別賦予對(duì)應(yīng)的材料和幾何參數(shù)，土體物理參數(shù)見(jiàn)表1，并結(jié)合文獻(xiàn)［11-12］進(jìn)行適當(dāng)修正。

圖7 平面計(jì)算模型

方案一模型共4082個(gè)單元，4177個(gè)節(jié)點(diǎn)；方案二模型共4622個(gè)單元，4177個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型的側(cè)面和底面施加位移邊界條件，側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部限制垂直移動(dòng)，上邊界為自由地面。模型中鋼管混凝土柱按照抗壓剛度等效［10］，折算成C50混凝土墻，墻厚0.14m。

表3 結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)參數(shù)

4.2 模型計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，提取土體豎向位移云圖，方案一土體位移如圖8（a）所示，方案二土體位移如圖8（b）所示。洞樁法施工車站完成后，周邊土體的最大豎向位移為36.8mm，地表最大沉降位于扣拱拱頂；中洞法施工車站完成后，土體的最大位移為46.6mm。提取車站施工完成后地表沉降曲線，如圖9所示；洞柱法施工車站完成后，地表最大沉降為19.8mm，小于一般市政管線所要求的沉降標(biāo)準(zhǔn)30mm要求［7］，中洞法施工完車站后，地表最大沉降為32.5mm，大于市政管線所要求的沉降標(biāo)準(zhǔn)30mm［7］。顯然，中洞法對(duì)周邊土體的影響遠(yuǎn)大于洞樁法。

圖9 車站施工完成后地表沉降曲線

5 結(jié)論

本文針對(duì)實(shí)際地鐵車站，結(jié)合周邊實(shí)際環(huán)境和地質(zhì)條件，通過(guò)對(duì)適用條件進(jìn)行了比較，對(duì)車站的兩種工法進(jìn)行了數(shù)值模擬，在目前的環(huán)境下，主要得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)分析結(jié)果，初步設(shè)計(jì)采用“方案一”洞樁法做為推薦方案。

（2）對(duì)于上部是粘土下部是基巖的地方，施工方法及結(jié)構(gòu)形式還是受控于上部開(kāi)挖的土層。

（3）⑤3-4層的粘土，自穩(wěn)能力好，土的滲透系數(shù)小，對(duì)暗挖工法相對(duì)來(lái)講還是有利的。但這層土中采用“方案一”6導(dǎo)洞的洞樁法，在控制沉降、結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換等方面是優(yōu)于“方案二”中洞法的。

（4）但具體從工期、造價(jià)、廢棄工程量、防水等角度考慮，“方案一洞柱法”比“方案二中洞法”優(yōu)化多少，還需根據(jù)車站周邊環(huán)境和工程地質(zhì)等實(shí)際情況進(jìn)行研究，在施工設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Comparison Analysis of Mining Method of the Living Metro Station

ZHANG Guo-liang
（China Railway Tunnel Survey and Design Institute Co., Ltd., Tianjin, 300132, China）

Undermining method is becoming a better solution when metro station is built under the urban arterial road, especially the transportation is not allowed to interrupt. As an example of Xuzhou metro station, pillar-beam-arch method and center drift excavation method were compared and analyzed from the aspects of engineering geology, applicable condition and so on. Two schemes were simulated, the results showed that "pillar-beam-arch method" scheme had less impact on the surrounding environment, and was superior to the “pillar-beam-arch method” in construction. But above all, the research results can be used for reference of subway station scheme which was constructed by undermining method in the bustling downtown area.

undermining method；pillar-beam-arch method；center drift excavation method；scheme comparison；subway station

U231.4

B

1009-3842（2015）03-0043-05

2015-02-10

張國(guó)良（1981-），男，河南洛陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)。E-mail:21465826@qq.com