張 鑫 犇

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

我國(guó)城市軌道交通建設(shè)已處于快速發(fā)展期。除了北京、上海、天津、廣州、深圳等大型城市已具有較為成熟的軌道交通網(wǎng)絡(luò)外，不少中小城市也正在進(jìn)行軌道交通規(guī)劃、籌建或建設(shè)。由于地鐵土建工程的特點(diǎn)，前期已實(shí)施的線(xiàn)路會(huì)對(duì)遠(yuǎn)期線(xiàn)路建設(shè)產(chǎn)生諸多限制因素，這就要求在地鐵建設(shè)規(guī)劃上具有一定的前瞻性，在設(shè)計(jì)和施工中對(duì)遠(yuǎn)期線(xiàn)路的實(shí)施有所預(yù)留，否則在遠(yuǎn)期線(xiàn)路的實(shí)施過(guò)程中可能會(huì)面臨較大的投資和較高的風(fēng)險(xiǎn)。

新建線(xiàn)路隧道下穿已有車(chē)站工程是其中一種情形。在車(chē)站建設(shè)時(shí)，根據(jù)遠(yuǎn)期規(guī)劃的指導(dǎo)，對(duì)遠(yuǎn)期線(xiàn)路穿越條件進(jìn)行預(yù)留，可以減小遠(yuǎn)期線(xiàn)路實(shí)施時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，減少投資，同時(shí)也可以將遠(yuǎn)期線(xiàn)路實(shí)施時(shí)對(duì)本線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)的影響控制在允許范圍以?xún)?nèi)。本文以某市新建地鐵1號(hào)線(xiàn)車(chē)站為例，介紹針對(duì)預(yù)留條件的相關(guān)設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

本案例為地下二層車(chē)站，沿城市主干道下方南北向敷設(shè)，車(chē)站主體規(guī)模291.5 m×18.3 m(標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)凈)，標(biāo)準(zhǔn)段埋深約16.8 m?；硬捎玫叵逻B續(xù)墻+支撐的圍護(hù)形式。標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻厚800 mm，插入深度30.90 m。

車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)于2018年2月開(kāi)工；2018年4月按照線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃，相關(guān)管理部門(mén)要求設(shè)計(jì)考慮預(yù)留遠(yuǎn)期線(xiàn)路下穿條件并對(duì)設(shè)計(jì)方案作相應(yīng)調(diào)整，此時(shí)已有部分處于預(yù)留范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻按原施工圖施工完畢，這增加了本站設(shè)計(jì)預(yù)留方案的復(fù)雜性。

2 工程地質(zhì)及水文條件

在本站勘察深度65.45 m埋深范圍內(nèi)分布的地層分別為第四系全新統(tǒng)(Q4)地層、第四系上更新統(tǒng)(Q3)地層，自上而下可分為5個(gè)工程地質(zhì)單元層，6個(gè)亞層。具體情況如下：

1)擬建場(chǎng)地地基土分布自上而下如下：①填土、①a淤泥、③1粉砂夾粉質(zhì)粘土、③2粉砂、④1粉質(zhì)粘土、④2粉質(zhì)粘土、⑤1粉砂夾粉質(zhì)粘土、⑤1t粉質(zhì)粘土夾粉砂。

2)車(chē)站坑底位于第③2粉砂層，圍護(hù)墻底位于第④1粉質(zhì)粘土層中。

潛水主要埋藏于①層填土、③1層粉砂夾粘質(zhì)粉土、③2層粉砂層中，穩(wěn)定水位埋深為1.00 m～2.20 m。本工點(diǎn)勘察深度范圍內(nèi)揭示的承壓水層為第Ⅰ層承壓水層，第Ⅰ層承壓水主要埋藏于第⑤1層粉砂夾粉質(zhì)粘土中。經(jīng)計(jì)算，本站坑底抗突涌安全系數(shù)滿(mǎn)足要求，不需要降承壓水。

3 預(yù)留下穿條件方案設(shè)計(jì)

3.1 概況

根據(jù)當(dāng)?shù)鼐€(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃，遠(yuǎn)期線(xiàn)路將在本站站臺(tái)中心線(xiàn)附近位置下穿，相對(duì)關(guān)系圖如圖1所示。因此需要在此處做相應(yīng)預(yù)留措施。

遠(yuǎn)期線(xiàn)路隧道距離本期實(shí)施車(chē)站底板下約2 m，穿過(guò)車(chē)站東西兩側(cè)各5幅地墻。由于線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃出臺(tái)的滯后性，車(chē)站西側(cè)5幅地墻已按原施工圖設(shè)計(jì)施工，未預(yù)留玻璃纖維筋，且地墻接頭采用的是H型鋼。這增加了本次設(shè)計(jì)方案調(diào)整和遠(yuǎn)期施工的復(fù)雜性,見(jiàn)圖2。

根據(jù)本站的特點(diǎn)以及目前的施工狀況，設(shè)計(jì)方案從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮遠(yuǎn)期線(xiàn)路下穿預(yù)留條件。

3.2 遠(yuǎn)期線(xiàn)路盾構(gòu)穿越地下連續(xù)墻

遠(yuǎn)期線(xiàn)路的高度處于坑底以下地墻范圍內(nèi)，需要穿過(guò)本期實(shí)施車(chē)站的東西兩側(cè)各5幅地下墻。由于國(guó)內(nèi)外目前尚無(wú)盾構(gòu)直接穿越鋼筋混凝土地下連續(xù)墻的工程案例，該范圍內(nèi)地墻預(yù)留范圍內(nèi)地墻需要采用玻璃纖維筋代替普通鋼筋，地墻接頭采用鎖口管。由于本工程所處的土層以砂性土為主，為了保證地墻接頭處的止水效果，在地墻接縫位置設(shè)置旋噴樁止水。

在遠(yuǎn)期線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃確定前，設(shè)計(jì)方案還未及時(shí)調(diào)整時(shí)，已有一側(cè)地下墻按原施工圖施工，未預(yù)留玻璃纖維筋和柔性接頭。這對(duì)于遠(yuǎn)期線(xiàn)路穿越地下墻的施工造成了困難。因此設(shè)計(jì)對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并提出以下兩套方案進(jìn)行比選：

方案一：遠(yuǎn)期車(chē)站端頭井緊挨本站，盾構(gòu)工籌按接收考慮以減小實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。在盾構(gòu)接收前從遠(yuǎn)期車(chē)站內(nèi)側(cè)將洞門(mén)鑿除。洞門(mén)外側(cè)即本期車(chē)站坑底一側(cè)的土體需要在本期實(shí)施車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施時(shí)進(jìn)行旋噴加固，加固的深度需要覆蓋洞圈，以確保洞門(mén)打開(kāi)時(shí)土體的穩(wěn)定，以控制車(chē)站結(jié)構(gòu)變形，避免施工風(fēng)險(xiǎn)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有車(chē)站設(shè)計(jì)方案、施工工期、造價(jià)影響較小，但是會(huì)較大程度上限制遠(yuǎn)期車(chē)站的布置。

方案二：由于目前為止本站基坑尚未開(kāi)挖，有條件在現(xiàn)有的已施工的鋼筋混凝土地下墻外側(cè)重新布置預(yù)留玻璃纖維筋和柔性接頭的地下墻，然后采用回旋鉆機(jī)將已施工的鋼筋混凝土地下墻清除。該方法對(duì)遠(yuǎn)期車(chē)站的布置影響小，未來(lái)實(shí)施的代價(jià)也較小，但是會(huì)增加現(xiàn)有車(chē)站施工工期、費(fèi)用、施工難度。

經(jīng)過(guò)以上分析，權(quán)衡方案一和方案二對(duì)現(xiàn)有車(chē)站和未來(lái)實(shí)施車(chē)站的利弊后，最終選擇方案一來(lái)解決遠(yuǎn)期隧道穿越已實(shí)施的鋼筋混凝土地下墻的問(wèn)題。

3.3 坑底土體加固

由于洞口從外向里鑿除時(shí)，背后一側(cè)車(chē)站坑底下方土體有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；在掘進(jìn)過(guò)程中，既有車(chē)站底板以下的土體會(huì)產(chǎn)生變形，影響車(chē)站的安全運(yùn)營(yíng)?；谝陨峡紤]，需要對(duì)預(yù)留范圍內(nèi)坑底以下土體進(jìn)行加固。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外不同土體加固方法的調(diào)研，決定采用旋噴樁對(duì)坑底以下土體進(jìn)行加固。此處需要對(duì)洞門(mén)鑿除工況土體穩(wěn)定和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算[1,2]。

3.3.1滑移穩(wěn)定計(jì)算

在地墻洞圈鑿除工況，墻后的土體在其自重作用下，可能沿某滑動(dòng)面向洞內(nèi)產(chǎn)生滑動(dòng)。將產(chǎn)生滑動(dòng)的各力對(duì)滑動(dòng)中心取矩，得到滑動(dòng)力矩Ms的計(jì)算公式為：

Ms=Ms1+Ms2

(1)

其中，Ms1為上覆土體自重引起的下滑力矩，計(jì)算公式如下：

(2)

Ms2為圓弧滑動(dòng)面內(nèi)土體自重引起的下滑力矩，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：γ——土體重度；

H——上方土體高度；

D——洞圈直徑。

抵抗土體滑動(dòng)的力由滑動(dòng)面上土體的抗剪強(qiáng)度和加固體的抗剪強(qiáng)度組成。抵抗力矩簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下：

(4)

式中：γ——土體重度；

c——未加固土體的粘聚力;

Cu——加固土體的粘聚力；

θ——加固區(qū)厚度對(duì)應(yīng)的角度。

考慮一定安全系數(shù)的滑移穩(wěn)定條件為：

Mr≥K0·Ms

(5)

將式(1)，式(3)代入式(5)，求出加固區(qū)厚度對(duì)應(yīng)的角度θ后，可以按式(6)求得加固區(qū)厚度t：

t=D·sinθ

(6)

根據(jù)滑移穩(wěn)定計(jì)算要求，墻后加固土體厚度至少需要2.1 m。

3.3.2強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于加固土體的受彎，一般是采用彈性力學(xué)薄板模型，將加固土體看作是周邊簡(jiǎn)支的彈性薄板，受土壓和水壓作用。板中心的最大彎曲應(yīng)力驗(yàn)算：

式中：μ——泊松比；

po——土壓和水壓作用;

Cu——加固土體的粘聚力；

θ——加固區(qū)厚度對(duì)應(yīng)的角度；

σt——加固土體的極限抗拉度。

板邊緣最大剪應(yīng)力驗(yàn)算：

其中，τt為加固土體的極限抗剪強(qiáng)度。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，滿(mǎn)足抗彎強(qiáng)度的加固區(qū)厚度至少為3.01 m，滿(mǎn)足抗剪強(qiáng)度的加固區(qū)厚度至少為1.10 m。

根據(jù)該計(jì)算結(jié)果，坑底加固方案如下：坑底采用旋噴樁加固，28 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa。離地墻3.5 m范圍以?xún)?nèi)土體加固深度為10.5 m(范圍覆蓋洞圈四周3 m的土體)，坑底預(yù)留范圍內(nèi)其余部分加固深度為4 m。

3.4 底板設(shè)置工程樁

由于遠(yuǎn)期線(xiàn)路盾構(gòu)區(qū)間在坑底掘進(jìn)時(shí)，坑底土體承載力有一定的損失，為了確保結(jié)構(gòu)安全，滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)所需的沉降控制要求，需要增加工程樁來(lái)承受車(chē)站主體荷載作用，因此在坑底增設(shè)鉆孔灌注樁。灌注樁的承載力需要能承受隧道范圍內(nèi)的車(chē)站荷載。

根據(jù)上述原則進(jìn)行抗壓承載力驗(yàn)算，確定增設(shè)工程樁具體方案如下：在底板下預(yù)留隧道兩側(cè)各設(shè)置一排鉆孔灌注樁共計(jì)12根，樁徑1 000 mm，樁長(zhǎng)37 m，樁端進(jìn)入⑤1粉砂夾粉質(zhì)粘土3 m。灌注樁距離預(yù)留隧道凈距2.3 m,見(jiàn)圖3。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃，本站從以下幾個(gè)方面對(duì)遠(yuǎn)期盾構(gòu)下穿條件進(jìn)行了預(yù)留：1)為了確保遠(yuǎn)期線(xiàn)路施工期間本車(chē)站的結(jié)構(gòu)安全，滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)所需的沉降控制要求，充分考慮遠(yuǎn)期線(xiàn)路在坑底盾構(gòu)施工期間，坑底土體承載力的減弱帶來(lái)的影響，在底板以下設(shè)置工程樁，通過(guò)工程樁承受穿越范圍內(nèi)車(chē)站局部的荷載；并對(duì)坑底土體進(jìn)行了加固，通過(guò)坑底土體加固控制變形。2)在下穿范圍內(nèi)的地下墻中預(yù)留玻璃纖維筋，采用柔性接頭，以便于遠(yuǎn)期盾構(gòu)穿越。對(duì)于由于設(shè)計(jì)方案調(diào)整的滯后，現(xiàn)場(chǎng)未及時(shí)預(yù)留的鋼筋混凝土地下墻，設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的解決方案，對(duì)遠(yuǎn)期車(chē)站的布置提出了相應(yīng)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳秀國(guó).軟弱地質(zhì)條件下盾構(gòu)進(jìn)出洞技術(shù)的研究[D].南京：華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[2] 孫 謀.盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞土體顆粒漸進(jìn)破壞模式分析及加固精細(xì)化研究[D].北京：北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2011.