張 宏，韓竹青，逢顯昱，程 松，姜瑞軍

(北京建工集團有限公司，北京 100028)

淺埋暗挖地鐵車站平行下穿大型城市隧道的施工方法研究

張 宏，韓竹青，逢顯昱，程 松，姜瑞軍

(北京建工集團有限公司，北京 100028)

北京地鐵15號線奧林匹克公園站首次采用零距離平行下穿既有大型城市隧道的設計方案，為保證新建車站施工和既有隧道運營的安全，工程采用單層導洞大直徑樁預撐支柱蓋挖暗作法施工。根據(jù)數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，車站站廳層的施工尤其是導洞(2)和(3)的施工是該工法的關(guān)鍵施工步序，站廳層施工完成后，車站中心線處地表沉降最大值為－38.4 mm，占總沉降值(－42.1 mm)的91.2%，與數(shù)值分析結(jié)果一致。因此，該工法可以有效地控制地層和周圍結(jié)構(gòu)的變形，對以后類似工程施工具有一定的借鑒意義。

平行下穿 施工方法 地層變形 隧道結(jié)構(gòu)變形

作為一種綠色公共交通工具，具有高效節(jié)能性和環(huán)境友好性特點的城市軌道交通有助于緩解城市的環(huán)境、資源壓力，是世界各大城市解決交通擁堵問題的重要手段。但是，城市施工環(huán)境的復雜性給軌道交通工程的安全設計與施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，針對新建工程穿越既有建筑物這一城市地下工程的核心問題，國內(nèi)外學者對新建地鐵穿越既有橋梁樁基［1-2］、地下管線［3］、隧道［4-5］等各種地下建筑物及地表建筑物［6-11］的施工影響分區(qū)、地表和既有建筑物的變形以及施工技術(shù)措施等進行了研究。

新建奧林匹克公園站位于奧運中心區(qū)，是北京地鐵15號線二期工程的關(guān)鍵控制節(jié)點，該站與既有地鐵8號線奧林匹克公園站形成換乘節(jié)點。根據(jù)周圍環(huán)境特點，工程采用零距離平行下穿既有大屯路隧道的設計方案，在國內(nèi)尚屬首次，無類似工程可供參考。為保證施工安全，本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，對新建地鐵車站施工影響下既有大屯路隧道和地表的變形規(guī)律進行分析。

1 工程概況

1.1 車站設計概況

新建地鐵奧林匹克公園車站的主體結(jié)構(gòu)設計為地下兩層三跨平頂直墻結(jié)構(gòu)，車站總長205.5 m，總寬26.7 m，總建筑面積13 888.62 m2。站臺采用暗挖雙層雙柱三跨島式站臺，寬度為14 m，車站頂板緊貼大屯路城市隧道底板，隧道上方覆土約為3.5 m，具體如圖1所示。

圖1 新建奧林匹克公園站與大屯路隧道斷面位置關(guān)系(單位:mm)

1.2 水文地質(zhì)條件

車站位于古溫榆河與古金溝河的河間地塊，場地地形平坦，無明顯起伏現(xiàn)象。根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，土層可劃分為人工堆積層、第四系全新統(tǒng)沖洪積層及第四系晚更新統(tǒng)沖洪積層，車站主體主要穿越雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土地層。

1.3 施工方案

為保證新建車站施工和大屯路隧道運營的安全，工程采用單層導洞大直徑樁預撐支柱蓋挖暗作法施工。工程首先開挖兩個邊導洞(1)和(4)，隨導洞的開挖及時施作臨時支護結(jié)構(gòu)和邊樁，如圖1所示。在邊樁體系對大屯路隧道形成支頂后，繼續(xù)開挖兩個中導洞(2)和(3)，并及時進行中導洞臨時支護結(jié)構(gòu)和中樁、中柱的施工。待樁—柱體系對大屯路隧道形成有效支撐后，進行扣拱、站廳層土方開挖及墻板結(jié)構(gòu)施工。站廳層施工完成后，進行負二層土方的全斷面開挖和車站結(jié)構(gòu)施工。其中，四個導洞均為矩形斷面結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為4.7 m×5.7 m(寬 ×高)。導洞(1)和(4)內(nèi)邊樁有兩種規(guī)格，一種直徑 800 mm，樁長約26 m，共84根，另一種直徑1 000 mm，樁長約26 m，共198根。導洞(2)和(3)內(nèi)中樁直徑為1 800 mm，樁長分別為22 m和30 m，總計58根。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型與參數(shù)

本文以大屯路隧道雙孔閉合框架段(標準段)為研究對象，采用有限元軟件 MIDAS/GTS對大屯路隧道變形和地表沉降進行分析。模型尺寸為200 m× 80 m×30 m(長×高×寬)。

隧道周圍土體采用實體單元模擬，本構(gòu)為摩爾—庫倫模型。車站采用彈性實體單元模擬，邊樁、中樁和鋼管柱采用彈性樁單元模擬，大屯路隧道結(jié)構(gòu)采用彈性殼單元模擬。

2.2 計算結(jié)果分析

分析新建車站施工引起的地表沉降規(guī)律(見圖2)和大屯路隧道底板沉降規(guī)律(見圖3)可知:

圖2 地表沉降曲線

1)新建車站施工完成后，車站中心線兩側(cè) 70 m范圍內(nèi)將出現(xiàn)明顯的地表沉降。兩個邊導洞(1)和(4)開挖后，由于開挖面積較小，導洞開挖施工的影響范圍也較小，約為55 m。施工開始后，大屯路隧道底板整個范圍內(nèi)均出現(xiàn)明顯沉降，且各步序施工的影響范圍一致。

圖3 大屯路隧道底板沉降曲線

2)邊導洞(1)和(4)開挖后，地表沉降曲線呈現(xiàn)出典型的雙峰形態(tài)，最大變形出現(xiàn)在大屯路隧道邊墻附近，這是由于大屯路隧道底板剛度較大，阻斷了結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)地層變形的傳遞。大屯路隧道的底板沉降在兩側(cè)邊墻處最大，在新建車站中心線處最小，這是由于導洞(1)和(4)位于邊墻處，開挖后既有隧道結(jié)構(gòu)在兩側(cè)失去支撐所致。

3)自中導洞(2)和(3)開挖至車站施工結(jié)束，地表沉降和大屯路隧道底板沉降的最大值均出現(xiàn)在車站中心線處，至兩側(cè)逐漸減小。

分析新建車站上方地表和大屯路隧道底板在不同步序的沉降值可知，中導洞(2)和(3)施工引起的地表沉降達到－33.0 mm，占地表最終沉降的78.4%;引起的隧道底板沉降達到－35.0 mm，占隧道底板總沉降的77.8%?？梢?，此步序為單層導洞大直徑樁預撐支柱蓋挖暗作法施工的關(guān)鍵步序。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

圖4所示為車站西部大屯路隧道底板和中墻的沉降監(jiān)測點布置情況，本文選取隧道北側(cè)底板縱向典型測點、中墻典型測點及橫斷面15的測點進行分析。

圖4 大屯路隧道沉降監(jiān)測點布置情況(新建車站西部)

3.1 隧道結(jié)構(gòu)沉降歷時曲線分析

分析大屯路隧道測點位移監(jiān)測曲線(圖5)可知:

圖5 大屯路隧道測點位移監(jiān)測曲線

1)各測點沉降曲線變化趨勢基本一致，即施工開始后，隧道底板和中墻沉降速率逐漸加快，至2013年3月21日站廳層施工完成后，沉降速率逐漸趨近于0，至2013年11月12日車站主體結(jié)構(gòu)施工完成后，沉降基本穩(wěn)定?？梢姡囌菊緩d層的施工是該工法變形控制的關(guān)鍵階段，與2.2節(jié)的計算結(jié)果一致。

2)主體結(jié)構(gòu)完工后，大屯路隧道北側(cè)底板沉降最大值為－37.5 mm，出現(xiàn)在單側(cè)開口段的測點BDB17-2處;大屯路隧道中墻沉降最大值為－47.4 mm，出現(xiàn)在雙孔閉合框架段的測點BQ19-1處，與2.2節(jié)的數(shù)值計算結(jié)果(－45.0 mm)基本一致。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)橫斷面沉降曲線分析

圖6為不同施工階段大屯路隧道橫斷面15的位移監(jiān)測曲線。分析可知，該位移曲線近似呈M型，隧道中墻處沉降最大;隧道沉降主要出現(xiàn)在站廳層結(jié)構(gòu)施工期間。因此，此階段是該工程施工的關(guān)鍵控制階段，與前述分析結(jié)論一致。

圖6 橫斷面15沉降監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

針對新建奧林匹克公園站下穿大屯路隧道工程穿越距離長，新建車站密貼既有隧道，變形控制困難等特點，工程選用單層導洞大直徑樁預撐支柱蓋挖暗作法進行施工。該工法可通過減少導洞開挖數(shù)量，及早施作支撐結(jié)構(gòu)來控制地層和周圍結(jié)構(gòu)變形。

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，車站站廳層結(jié)構(gòu)的施工是該工法的關(guān)鍵施工步序。此階段的車站中心線處地表累計沉降為－38.4 mm，占地表總沉降(－42.1 mm)的91.2%，大屯路隧道底板的累計沉降為－41.3 mm，占隧道底板總沉降(－45.0 mm)的91.8%。至站廳層施工完成時，隧道中墻沉降最大值為－38.4 mm，占該斷面最終沉降(－43.0 mm)的89.3%，與數(shù)值分析結(jié)果基本一致。

因此，該工法能夠有效地控制地層變形，適用于新建地下結(jié)構(gòu)零距離平行下穿大型城市隧道工程，對類似工程施工具有一定的借鑒意義。

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(責任審編 趙其文)

U231+.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.18

2014-12-31;

:2015-06-03

北京市科委計劃項目(Z121100000312021)

張宏(1978— )，男，山西太原人，高級工程師。

1003-1995(2015)09-0060-03