梁智鵬 ,景懼斌 ,王 磊

(1.北京市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目管理中心,北京 100053;2.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

1 擬建核心區(qū)站工程概況

北京地鐵28號(hào)線核心區(qū)站位于北京市朝陽區(qū)針織路上,在景輝街與景輝南街之間,南側(cè)為景輝南街與針織路交叉口,西側(cè)為CBD 核心區(qū)Z-11、Z-13地塊,東側(cè)是萬達(dá)廣場(chǎng)(高層建筑),位置見圖1。車站中心里程K2+413.000,車站主體長(zhǎng)121.6 m,寬約21.5 m,結(jié)構(gòu)頂板埋深約為9.4 m,結(jié)構(gòu)底板埋深為23 m。

圖1 北京地鐵28號(hào)線核心區(qū)站位置示意

核心區(qū)站土層自上而下為中粗砂④4層、卵石圓礫⑤層、粘土⑥1層(局部粉質(zhì)粘土⑥層)、粘土⑥1層。結(jié)構(gòu)頂板土層為中粗砂④4層,車站底板土層為粘土⑥1層,卵石圓礫⑤層為潛水的含水層,地下水位距離結(jié)構(gòu)底板8 m,含水量較大。核心區(qū)站附近建筑物密集,人流量大,地面交通繁忙,不具備明挖車站的條件,只能采用暗挖法施工。開挖的下部站臺(tái)層主要位于卵石圓礫⑤層,地層含水量豐富。卵石圓礫層是一種不穩(wěn)定地層,卵石在地層中起骨架作用,其間充填各種砂層、礫石層,結(jié)構(gòu)松散、無黏聚力,開挖中極容易出現(xiàn)涌水、涌砂,引起土體塌方、地表下陷等事故[1-3],因此如何在富水卵石圓礫地層中進(jìn)行地層加固是關(guān)系到工程成敗的關(guān)鍵所在。

常規(guī)地鐵車站加固方法主要有三軸攪拌、地面旋噴等,三軸攪拌適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等,對(duì)砂層加固效果差[4-5]。在含水量較大、滲透系數(shù)較大的砂層中采用旋噴樁施工,漿液易被水流帶走,加固效果差,不適合卵礫石地層[6-7]。地面加固受到場(chǎng)地條件及周邊環(huán)境條件限制,核心區(qū)站西側(cè)為北京CBD 核心區(qū)大廈,東側(cè)為萬達(dá)廣場(chǎng),此區(qū)域堪稱北京地面交通最繁忙的地區(qū)之一,無法占用地面進(jìn)行加固,故無法使用三軸攪拌和地面旋噴進(jìn)行加固。若采用洞內(nèi)水平注漿輔以地表降水方法,因核心區(qū)站暗挖長(zhǎng)度大、含水量大,降水影響范圍過大,且大規(guī)模降水會(huì)導(dǎo)致上部地表產(chǎn)生沉降,威脅地表構(gòu)筑物安全,亦不可行。開挖核心區(qū)站需找到一種適合該工程實(shí)際情況、安全可靠的工法,這種工法既對(duì)上部環(huán)境影響小又適用于富水地層。

近年來,隨著城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展,越來越多的地下工程采用水平凍結(jié)法預(yù)加固地層,并取得了一定的成效,凍結(jié)法施工也作為一種成熟工法在地鐵工程中得到廣泛使用。周曉敏等[8]在北京地鐵熱—八線大北窯車站南隧道實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首例水平凍結(jié)法施工,順利通過了粉細(xì)砂困難地段,證明水平凍結(jié)法是暗挖隧道軟弱含水地層中封水的有效方法。北京地鐵6 號(hào)線玉帶河大街站—郝家府站區(qū)間1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道、2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道,埋深20.6 m,穿越地層為粉細(xì)砂⑤1層、粉細(xì)砂⑤層、粉細(xì)砂⑤層,采用凍結(jié)法暗挖順利穿越不利地層[9]。北京地鐵8號(hào)線在天橋站—永定門外站區(qū)間2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道頂部埋深30 m,處于卵石粉質(zhì)黏土復(fù)合地層中,距離永定門橋樁基僅20.73 m,水位線在聯(lián)絡(luò)通道以上9 m,采用凍結(jié)法加固方案順利完成構(gòu)筑[10]。凍結(jié)法加固土體在其他城市也具有大規(guī)模的成熟應(yīng)用[11-14]。

筆者基于北京地鐵28號(hào)線核心區(qū)站工程,對(duì)核心區(qū)車站進(jìn)行凍結(jié)法加固可行性進(jìn)行分析,對(duì)凍結(jié)方案進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì),為北京地鐵車站在富水條件下的暗挖方案選擇提供參考。

2 凍結(jié)法暗挖車站設(shè)計(jì)

北京地鐵28 號(hào)線盾構(gòu)隧道為大直徑隧道(?8 300 mm),可利用大直徑盾構(gòu)隧道作為工作面,采用跟管鉆進(jìn)、保壓鉆進(jìn)方法施工凍結(jié)管,穿越卵石地層進(jìn)行凍結(jié)暗挖施工,隔絕地下水、開挖土體并構(gòu)筑車站,擬開挖構(gòu)筑的車站剖面見圖2。

圖2 規(guī)劃設(shè)計(jì)核心區(qū)站斷面

大直徑(?8 300 mm)盾構(gòu)隧道推進(jìn)完成后,利用大隧道作為工作面,向車站內(nèi)側(cè)打鉆,設(shè)計(jì)形成上部、下部弧形凍結(jié)壁,有效隔絕水位,每段中間部分凍結(jié)開孔位置如圖3所示,端頭部分凍結(jié)開孔如圖4所示。在車站橫向方向上,設(shè)計(jì)分為A、B、C三段凍結(jié),每段長(zhǎng)度為33 m,見圖5。凍結(jié)管橫向方向間距為1 200 mm,每段設(shè)計(jì)凍結(jié)時(shí)間55 d,三段區(qū)域中部設(shè)置3 m 厚度凍土墻,減小長(zhǎng)距離凍結(jié)壁滲漏風(fēng)險(xiǎn),且凍土墻可承載上部土體重量,三塊區(qū)域分段凍結(jié)、分段開挖,既可以加快施工進(jìn)度,又可以節(jié)約冷量,設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度為3 m,并對(duì)此凍結(jié)壁厚度進(jìn)行驗(yàn)算。

圖5 核心區(qū)站凍結(jié)分段設(shè)計(jì)

開挖順序需適合車站暗挖實(shí)際情況,謹(jǐn)慎拆除管片,增加臨時(shí)支護(hù),減小控頂距,及時(shí)施加永久支護(hù)。核心區(qū)站開挖順序?yàn)橄乳_挖大直徑隧道兩側(cè)土體,并進(jìn)行初期支護(hù),中間預(yù)留2 m 凍土墻,后長(zhǎng)度方向每掘進(jìn)3 m 鑿掉凍土墻,進(jìn)行車站內(nèi)部混凝土澆筑,順序見圖6。

圖6 核心區(qū)站開挖順序

3 凍結(jié)法帷幕強(qiáng)度驗(yàn)算

需對(duì)設(shè)計(jì)凍結(jié)壁強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,取每段中部最不利截面進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算采用有限差分軟件FLAC3d進(jìn)行,計(jì)算建模嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行,網(wǎng)格劃分遵循重點(diǎn)部位重點(diǎn)分析的原則,重點(diǎn)部位加密網(wǎng)格,非重點(diǎn)部分增大網(wǎng)格以節(jié)省計(jì)算資源。網(wǎng)格建模如圖7所示:計(jì)算模型左右水平計(jì)算范圍(X 邊界)均取隧道跨度的5 倍以上,為140 m;垂直計(jì)算范圍向上取至自由地表,向下取隧道高度的5倍以上,為60 m,充分考慮了邊界條件對(duì)隧道開挖的影響。現(xiàn)有方案網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為19.42萬單元。

建立站廳層及隧道凍結(jié)壁、隧道管片、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)模型,凍結(jié)壁厚度為3 m,中部?jī)鐾翂穸葹? m,細(xì)部網(wǎng)格見圖8。建立23萬個(gè)網(wǎng)格單元。開挖順序按照設(shè)計(jì)要求,見圖6。土力學(xué)參數(shù)選取根據(jù)地勘報(bào)告對(duì)土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值,選用彈性準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算,參數(shù)見表1。

表1 網(wǎng)格參數(shù)表

計(jì)算步驟按照隧道開挖順序進(jìn)行。計(jì)算程序首先計(jì)算原始地應(yīng)力,土體的開挖是在應(yīng)力重分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,按實(shí)際開挖方法釋放荷載,求解開挖后的應(yīng)力場(chǎng)。模型底面邊界固定;模型上、下、左、右邊界面固定,上覆土體自重按實(shí)際重量計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果如下:凍結(jié)壁承載力驗(yàn)算采用許用應(yīng)力法,依據(jù)凍結(jié)法技術(shù)規(guī)范[15],強(qiáng)度檢驗(yàn)安全系數(shù)按Ⅲ類凍結(jié)壁選取:安全系數(shù)為抗壓強(qiáng)度2.0,抗折強(qiáng)度3.0,抗剪強(qiáng)度2.0。強(qiáng)度檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見圖9和表2。最大主應(yīng)力為0.66 MPa,最小主應(yīng)力為1.2 MPa,剪應(yīng)力為0.37 MPa。

圖9 強(qiáng)度檢驗(yàn)計(jì)算云圖

表2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)計(jì)算可得:凍結(jié)壁平均溫度-10 ℃、厚度3 m 時(shí),凍土帷幕的總體承載能力足夠,凍土帷幕兩側(cè)及底部有應(yīng)力集中,但應(yīng)力值小于強(qiáng)度值,且各項(xiàng)安全系數(shù)滿足要求。

4 總結(jié)

北京地鐵28 號(hào)線核心區(qū)站盾構(gòu)隧道推進(jìn)完成后,利用大隧道作為工作面,向車站內(nèi)側(cè)打鉆,在車站橫向方向上,設(shè)計(jì)分為A、B、C 三段凍結(jié),每段長(zhǎng)度約為33 m,凍結(jié)管橫向方向間距為1 200 mm,每段設(shè)計(jì)凍結(jié)時(shí)間55 d,三段區(qū)域中部設(shè)置3 m 厚度凍土墻。計(jì)算得出凍結(jié)壁平均溫度-10 ℃、厚度3 m 時(shí),凍土帷幕的總體承載能力足夠,凍土帷幕兩側(cè)及底部有應(yīng)力集中,但應(yīng)力值小于強(qiáng)度值,且各項(xiàng)安全系數(shù)滿足要求,表明凍結(jié)法暗挖地鐵車站方案是可行的。

隨著北京城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展,將有越來越多的地鐵車站采用暗挖法施工,如北京地鐵12號(hào)線、17號(hào)線等規(guī)劃了多個(gè)暗挖車站,凍結(jié)法加固土體作為一種環(huán)保型成熟工法已在地鐵工程中廣泛使用,該設(shè)計(jì)首次將凍結(jié)法引入暗挖長(zhǎng)距離地鐵車站,將為北京地鐵車站在富水條件下的暗挖方案選擇提供有益的參考。