地鐵車站預留遠期線路下穿條件設計

張 鑫 犇

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

我國城市軌道交通建設已處于快速發展期。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絡外，不少中小城市也正在進行軌道交通規劃、籌建或建設。由于地鐵土建工程的特點，前期已實施的線路會對遠期線路建設產生諸多限制因素，這就要求在地鐵建設規劃上具有一定的前瞻性，在設計和施工中對遠期線路的實施有所預留，否則在遠期線路的實施過程中可能會面臨較大的投資和較高的風險。

新建線路隧道下穿已有車站工程是其中一種情形。在車站建設時，根據遠期規劃的指導，對遠期線路穿越條件進行預留，可以減小遠期線路實施時的風險，減少投資，同時也可以將遠期線路實施時對本線路運營的影響控制在允許范圍以內。本文以某市新建地鐵1號線車站為例，介紹針對預留條件的相關設計方案。

1 工程概況

本案例為地下二層車站，沿城市主干道下方南北向敷設，車站主體規模291.5 m×18.3 m(標準段內凈)，標準段埋深約16.8 m。基坑采用地下連續墻+支撐的圍護形式。標準段地下連續墻厚800 mm，插入深度30.90 m。

車站基坑圍護結構于2018年2月開工；2018年4月按照線網規劃，相關管理部門要求設計考慮預留遠期線路下穿條件并對設計方案作相應調整，此時已有部分處于預留范圍內的地下連續墻按原施工圖施工完畢，這增加了本站設計預留方案的復雜性。

2 工程地質及水文條件

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

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

2)車站坑底位于第③2粉砂層，圍護墻底位于第④1粉質粘土層中。

潛水主要埋藏于①層填土、③1層粉砂夾粘質粉土、③2層粉砂層中，穩定水位埋深為1.00 m～2.20 m。本工點勘察深度范圍內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層粉砂夾粉質粘土中。經計算，本站坑底抗突涌安全系數滿足要求，不需要降承壓水。

3 預留下穿條件方案設計

3.1 概況

根據當地線網規劃，遠期線路將在本站站臺中心線附近位置下穿，相對關系圖如圖1所示。因此需要在此處做相應預留措施。

遠期線路隧道距離本期實施車站底板下約2 m，穿過車站東西兩側各5幅地墻。由于線網規劃出臺的滯后性，車站西側5幅地墻已按原施工圖設計施工，未預留玻璃纖維筋，且地墻接頭采用的是H型鋼。這增加了本次設計方案調整和遠期施工的復雜性,見圖2。

根據本站的特點以及目前的施工狀況，設計方案從以下幾個方面進行考慮遠期線路下穿預留條件。

3.2 遠期線路盾構穿越地下連續墻

遠期線路的高度處于坑底以下地墻范圍內，需要穿過本期實施車站的東西兩側各5幅地下墻。由于國內外目前尚無盾構直接穿越鋼筋混凝土地下連續墻的工程案例，該范圍內地墻預留范圍內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，在地墻接縫位置設置旋噴樁止水。

在遠期線網規劃確定前，設計方案還未及時調整時，已有一側地下墻按原施工圖施工，未預留玻璃纖維筋和柔性接頭。這對于遠期線路穿越地下墻的施工造成了困難。因此設計對此進行了相應的研究，并提出以下兩套方案進行比選：

方案一：遠期車站端頭井緊挨本站，盾構工籌按接收考慮以減小實施風險。在盾構接收前從遠期車站內側將洞門鑿除。洞門外側即本期車站坑底一側的土體需要在本期實施車站基坑圍護結構實施時進行旋噴加固，加固的深度需要覆蓋洞圈，以確保洞門打開時土體的穩定，以控制車站結構變形，避免施工風險。

該方案的優點是對現有車站設計方案、施工工期、造價影響較小，但是會較大程度上限制遠期車站的布置。

方案二：由于目前為止本站基坑尚未開挖，有條件在現有的已施工的鋼筋混凝土地下墻外側重新布置預留玻璃纖維筋和柔性接頭的地下墻，然后采用回旋鉆機將已施工的鋼筋混凝土地下墻清除。該方法對遠期車站的布置影響小，未來實施的代價也較小，但是會增加現有車站施工工期、費用、施工難度。

經過以上分析，權衡方案一和方案二對現有車站和未來實施車站的利弊后，最終選擇方案一來解決遠期隧道穿越已實施的鋼筋混凝土地下墻的問題。

3.3 坑底土體加固

由于洞口從外向里鑿除時，背后一側車站坑底下方土體有失穩的風險；在掘進過程中，既有車站底板以下的土體會產生變形，影響車站的安全運營。基于以上考慮，需要對預留范圍內坑底以下土體進行加固。

通過對國內外不同土體加固方法的調研，決定采用旋噴樁對坑底以下土體進行加固。此處需要對洞門鑿除工況土體穩定和強度進行計算[1,2]。

3.3.1滑移穩定計算

在地墻洞圈鑿除工況，墻后的土體在其自重作用下，可能沿某滑動面向洞內產生滑動。將產生滑動的各力對滑動中心取矩，得到滑動力矩Ms的計算公式為：

Ms=Ms1+Ms2

(1)

其中，Ms1為上覆土體自重引起的下滑力矩，計算公式如下：

(2)

Ms2為圓弧滑動面內土體自重引起的下滑力矩，計算公式如下：

(3)

式中：γ——土體重度；

H——上方土體高度；

D——洞圈直徑。

抵抗土體滑動的力由滑動面上土體的抗剪強度和加固體的抗剪強度組成。抵抗力矩簡化計算公式如下：

(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——加固區厚度對應的角度。

考慮一定安全系數的滑移穩定條件為：

Mr≥K0·Ms

(5)

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

t=D·sinθ

(6)

根據滑移穩定計算要求，墻后加固土體厚度至少需要2.1 m。

3.3.2強度計算

對于加固土體的受彎，一般是采用彈性力學薄板模型，將加固土體看作是周邊簡支的彈性薄板，受土壓和水壓作用。板中心的最大彎曲應力驗算：

式中：μ——泊松比；

po——土壓和水壓作用;

Cu——加固土體的粘聚力；

θ——加固區厚度對應的角度；

σt——加固土體的極限抗拉度。

板邊緣最大剪應力驗算：

其中，τt為加固土體的極限抗剪強度。

根據驗算結果，滿足抗彎強度的加固區厚度至少為3.01 m，滿足抗剪強度的加固區厚度至少為1.10 m。

根據該計算結果，坑底加固方案如下：坑底采用旋噴樁加固，28 d齡期無側限抗壓強度不小于1.0 MPa。離地墻3.5 m范圍以內土體加固深度為10.5 m(范圍覆蓋洞圈四周3 m的土體)，坑底預留范圍內其余部分加固深度為4 m。

3.4 底板設置工程樁

由于遠期線路盾構區間在坑底掘進時，坑底土體承載力有一定的損失，為了確保結構安全，滿足運營所需的沉降控制要求，需要增加工程樁來承受車站主體荷載作用，因此在坑底增設鉆孔灌注樁。灌注樁的承載力需要能承受隧道范圍內的車站荷載。

根據上述原則進行抗壓承載力驗算，確定增設工程樁具體方案如下：在底板下預留隧道兩側各設置一排鉆孔灌注樁共計12根，樁徑1 000 mm，樁長37 m，樁端進入⑤1粉砂夾粉質粘土3 m。灌注樁距離預留隧道凈距2.3 m,見圖3。

4 結論和建議

根據線網規劃，本站從以下幾個方面對遠期盾構下穿條件進行了預留：1)為了確保遠期線路施工期間本車站的結構安全，滿足運營所需的沉降控制要求，充分考慮遠期線路在坑底盾構施工期間，坑底土體承載力的減弱帶來的影響，在底板以下設置工程樁，通過工程樁承受穿越范圍內車站局部的荷載；并對坑底土體進行了加固，通過坑底土體加固控制變形。2)在下穿范圍內的地下墻中預留玻璃纖維筋，采用柔性接頭，以便于遠期盾構穿越。對于由于設計方案調整的滯后，現場未及時預留的鋼筋混凝土地下墻，設計提供了相應的解決方案，對遠期車站的布置提出了相應的要求。

參考文獻：

[1] 吳秀國.軟弱地質條件下盾構進出洞技術的研究[D].南京：華南理工大學碩士學位論文，2012.

[2] 孫 謀.盾構隧道進出洞土體顆粒漸進破壞模式分析及加固精細化研究[D].北京：北京交通大學博士學位論文，2011.