地鐵車站上方隧道施工對車站抗浮影響分析及對策研究

廣州南沙新區(qū)建設開發(fā)有限公司，廣東 廣州 511400

基于高效利用城市空間及集約使用城市土地資源的需要，城市地鐵車站上方修建交叉地下隧道工程的現(xiàn)象不可避免。出于經(jīng)濟性考慮，車站上方的隧道工程一般采用明挖施工技術。地鐵車站與其上方的隧道工程通常由不同的建設主體負責實施，加之地鐵車站與上方隧道建設時序的差異，導致地鐵車站與其上方的隧道工程在設計及施工時未能統(tǒng)籌考慮，從而出現(xiàn)上方隧道土層開挖時下方地鐵車站抗浮不足、地鐵車站結構存在損壞的風險。不少學者對單一地下結構工況下的抗浮設計進行了研究，也有學者從上覆土層開挖對地鐵隧道的影響進行了分析研究，但較少對交叉工程工況下上覆土層開挖對地鐵車站抗浮影響進行研究。

文章以廣州某地鐵車站上方隧道工程交叉段為例，針對車站上方隧道明挖施工時下方車站抗浮問題，綜合考慮技術、經(jīng)濟、施工、安全風險以及協(xié)調難度等多方面因素，提出了最優(yōu)方案及管控建議。

1 工程實例

1.1 工程簡介

廣州某地鐵車站上方隧道工程交叉段位于新建地鐵橫瀝站與橫瀝中路交叉處。地鐵橫瀝站位于現(xiàn)狀鳳凰大道西側，為南北向地下車站。橫瀝中路路線呈東西走向，為城市主干路，設計車速60km/h，標準車道為主線雙向四車道+輔道雙向四車道。在與鳳凰大道相交處設置下穿隧道，隧道為雙向四車道，隧道總長530.5m，凈空4.5m。隧道起點里程為HLZK1+090.5，終點里程為HLZK1+621，其中，HLZK1+090.5—HLZK1+276.5長 186m，HLZK1+433.5—HLZK1+621.0長187.5m，為“U”形敞口段；HLZK1+276.5—HLZK1+433.5長157m，為箱形閉口段。

地鐵橫瀝站與橫瀝中路隧道相交段處車站主體結構分為兩層，首層層頂標高約為-2.52m，底層層底標高約為-20.64，采用明挖法施工，因地下水位較高，地鐵施工過程中采用降水措施以減少浮力影響。橫瀝中路下穿隧道閉口段與地鐵橫瀝站（里程為YDK8+589.3—YDK8+610.9）相交，隧道從地鐵橫瀝站上方穿過，隧道底板與地鐵橫瀝站頂板凈高約為2.06～3.1m，隧道覆土為0.48～1.75m，采用明挖法施工。隧道與地鐵車站關系如圖1所示。

圖1 隧道與地鐵關系平面圖

1.2 現(xiàn)場情況

鉆探地面標高約4.2m，測得地下水的埋深為0.2～6.0m，地下水位變化幅度為1～3m。場區(qū)地下水主要補給來源為大氣降水和臨近河涌補給。由于前期市政道路路網(wǎng)規(guī)劃未確定，隧道建設相對滯后。橫瀝中路隧道正式啟動建設時，地鐵橫瀝站完成車站結構施工，基坑已回填至標高5.5m，現(xiàn)場回填土為三類土，壓實度較小。

2 隧道建設方案設計及其影響

2.1 邊界條件

地鐵車站結構設計已經(jīng)按暫定隧道方案考慮了橫瀝中路下穿隧道建成使用后對地鐵產(chǎn)生的影響。經(jīng)過與地鐵設計單位溝通，地鐵車站在橫瀝中路下穿隧道施工時的抗浮計算條件假定及判定條件如下：（1）抗浮水位按車站頂覆土已完成填土面標高計算，水浮力不采用阿基米德排水法，取基底全水頭水反力。（2）地鐵站結構抗浮取地鐵站橫斷面計算。（3）抗浮安全系數(shù)，滿足以下判定條件之一即可：①不考慮地鐵地連墻側壁摩阻力時，抗浮安全系數(shù)為1.05；②考慮地鐵地下連續(xù)墻側壁摩阻力時，抗浮安全系數(shù)為1.15。地鐵車站與隧道相交段通過地鐵結構自重、結構上方覆土、地連墻、抗拔樁進行抗浮，在結構上方地連墻設計有砼腰梁，此砼腰梁為永久結構，隧道施工時不能破壞該結構。

2.2 建設方案及其影響

（1）方案一：與地鐵車站同步施工方案。該方案需要充分利用地鐵站基坑結構及降水設施，隧道結構底面與橫瀝站結構頂面之間采用回填碎石填充，在隧道基坑外設置樁基礎，與站體結構一同承擔隧道荷載。結構施工由下至上順序施工，確保兩結構施工間的相互影響最小，同時便于施工控制。該方案無需增設地鐵結構抗浮防護措施，其安全性及經(jīng)濟投入均最優(yōu)。但是如果地鐵橫瀝站基坑已經(jīng)完成回填至標高5.5m，重新啟動降水工作，將導致降水區(qū)域軟土地基加速固結下沉，地鐵沿縱向產(chǎn)生不均勻沉降，地鐵安全存在風險。該方案經(jīng)過與地鐵建設單位及設計單位溝通后被否定。

（2）方案二：無措施直接反開挖施工。該方案擬在隧道基坑施工時，保持地鐵車站結構上方平均覆土2.3m左右，不破除隧道基坑開挖范圍地鐵車站地連墻（高度為5.7m左右），待地連墻范圍內(nèi)隧道施工完成后再破除此部分地連墻。經(jīng)計算，不考慮地連墻摩擦力時，抗浮安全系數(shù)小于1.05；考慮地連墻摩擦力時，抗浮安全系數(shù)小于1.15。綜上，若無輔助抗浮措施直接對隧道基坑進行反開挖施工，則地鐵橫瀝站抗浮安全系數(shù)不滿足要求。

（3）方案三：不降水+輔助堆沙袋。由方案二可知，如果在地鐵車站完成覆土回填后再進行橫瀝中路隧道施工，為滿足地鐵車站結構抗浮要求，需要增設一定輔助措施。經(jīng)試算，滿足下述條件時，地鐵車站抗浮可滿足要求：①地鐵車站回填時，其結構頂部與隧道底之間的填料應按隧道底填料要求先行施工。隧道開挖時只開挖至隧道底標高，即隧道施工期間保持地鐵車站結構上方平均覆土2.3m左右。②隧道基坑開挖范圍地鐵站地連墻（高度為5.7m左右）不破除，等地連墻范圍內(nèi)隧道施工完后再破除此部分地連墻。③在基坑開挖寬度范圍內(nèi)的地鐵車站結構內(nèi)堆2m高沙袋。經(jīng)計算，不考慮地連墻摩擦力時，抗浮安全系數(shù)為0.95；考慮地連墻摩擦力時，抗浮安全系數(shù)為1.16。綜上，通過堆沙袋的輔助措施可滿足地鐵車站抗浮要求。但由于該方案需要在地鐵車站內(nèi)隊堆放約2m高沙袋，沙袋壓重期間將嚴重影響地鐵車站設備調試與運營，存在較大的施工組織及協(xié)調難度，同方案一，遭地鐵建設方反對，僅為理論可行方案。

（4）方案四：抬高隧道設計標高方案。該方案基于地鐵站基坑已回填，地下水位上升的情況。經(jīng)核算，地鐵車站站體上方需要保持平均厚度為4.4m土層壓重，方可滿足結構抗浮需求。據(jù)此調整隧道總體豎向設計，以站體結構頂面標高+平均4.4m覆土標高控制隧道豎向標高，進而抬升隧道西段總體設計標高，鳳凰大道輔道交叉口標高同步抬高約為1～9.99m。該方案導致隧道區(qū)域內(nèi)上方地面道路標高整體抬高，同時需要對鳳凰大道輔道進行抬升改造，技術難度低、施工方便、安全性高，但影響范圍廣、投資大，對鳳凰大道輔道通行服務水平將造成嚴重負面影響，與地鐵建設應改善沿線交通條件、提高城市品質的目標不符。經(jīng)測算，該方案隧道建安費約為2.15億元。

（5）方案五：抗拔樁方案。該方案在地鐵站兩側地連墻外增設樁徑為1.8m的抗拔樁，抗拔樁沿地鐵站縱向間距為4.8m，每側共布置5根。拔樁通過地梁與地鐵車站地連墻相連，樁基與車站結構凈距為5m。地梁高為2.5m，長7m，寬為3m，地梁通過植入鋼筋與地鐵地連墻連接。地鐵站上方隧道結構施工完成后，破除隧道處地連墻和地梁，抗拔樁轉為隧道結構樁基礎。為方便后期地鐵車站地連墻的拆除，隧道結構施工至離地連墻2m左右位置，并于此處設置施工縫。地鐵橫瀝站基坑范圍采用二級放坡開挖。橫瀝站基坑外側隧道基坑采用直徑80cm鉆孔灌注樁+一道鋼筋砼支撐或二道鋼筋砼支撐+坑底加固的支護方式，樁間距為1.0m，與地鐵橫瀝站基坑連續(xù)墻相接處采用兩根直徑600mm旋噴樁搭接。采用該方案隧道建安費約為1.95億元。該方案（如圖2、圖3所示）經(jīng)與地鐵建設單位及設計單位溝通后被采納。

圖2 抗拔樁方案立面圖（單位：m）

圖3 抗拔樁方案平面布置圖

2.3 方案對比

各方案優(yōu)缺點及隧道建安費對比如表1所示。

表1 各方案優(yōu)缺點及隧道建安費對比表

綜合比較，方案五雖然不是造價最省的方案，施工也相對復雜，但在地鐵橫瀝站已完成站體結構施工且基坑已回填至一定標高的情況下，是能確保車站抗浮安全的可靠方案，也是綜合最優(yōu)方案。

3 結論

文章以廣州某地鐵車站上方隧道工程交叉段為例，針對隧道施工對車站抗浮安全影響問題，提出多種建設方案，并從技術、經(jīng)濟、施工、安全風險以及協(xié)調難度等多維度進行比選分析，得出綜合最優(yōu)方案，主要結論如下：

（1）為減少協(xié)調工作量，交叉工程宜盡量由同一建設主體負責實施。當由不同建設主體實施時，應加強相互聯(lián)動和溝通協(xié)調，并盡量做到同期建設。

（2）地鐵車站上方隧道工程應盡量在車站基坑完成回填前施工，充分利用地鐵站基坑結構及降水設施，以節(jié)約工程投資。

（3）當?shù)罔F站基坑已回填到一定標高，地下水位上升時，其上方隧道方案設計應確保下方車站抗浮安全。設計方案應綜合考慮上方道路與周邊道路的銜接、技術可靠性、經(jīng)濟性、施工難易程度及溝通協(xié)調難度等因素，科學合理地選擇綜合最優(yōu)方案。

（4）在地鐵車站已完成車站結構施工，基坑已回填至一定標高，降水設施已拆除且恢復風險較大的情況下，抗拔樁方案是一種安全可靠、可實施性較好的方案。