多跨大空間地鐵車站暗挖施工方案比選研究*

杜 欣

(中鐵十六局集團有限公司， 100018， 北京∥高級工程師)

在繁華市中心修建地鐵線路，越來越多地出現上跨、下穿既有地鐵或管廊結構現象，尤其是與既有地鐵車站銜接的換乘車站的施工，具有空間規模大、結構跨度大、深埋、圍護支護復雜且對周邊環境影響大的特點，其設計和施工難度很大。本文以北京地鐵16號線二里溝站這個新建地鐵的換乘車站為例，闡述大空間地鐵車站暗挖施工方案的有關比選。

1 北京地鐵16號線二里溝站工程概況

1.1 工程設計情況

北京地鐵16號線二里溝站位于三里河路和車公莊大街交叉口，與既有6號線二里溝站成“十”字換乘(見圖1)。6號線二里溝站為單層暗挖分離側式站臺車站，車站埋深 27.93 m，車站覆土17.56 m。16號線二里溝站車站兩端采用兩層三柱四跨暗挖結構，車站中部上跨6號線車站段采用單層雙跨暗挖結構，如圖2所示。16號線二里溝站車站全長303 m，車站兩端主體雙層三柱四跨暗挖段斷面高18.36 m，寬 29.40 m，覆土深度 8.90 m，采用小導管超前注漿加固和洞樁(PBA)法施工。

該車站設置了4個施工豎井，總建筑面積約為3.9萬m2,目前是全國在建的最大暗挖車站。車站主體采用單層導洞PBA法施工。設置了5個出入口、4組風亭,2座冷卻塔。其中東南象限風道及出入口與百萬莊棚戶區改造一體化建設。

1.2 地質條件

16號線二里溝站主要處于⑤層卵石，⑥層粉質黏土，⑦層卵石和⑧層粉質黏土。其中最大粒徑不小于300 mm ，一般粒徑為20～60 mm。土層中粒徑大于20 mm的顆粒占總質量的60%，以亞圓形，中粗砂填充。車站頂部以上為粉細砂層。含水層主要為⑨層卵石。2011年7月勘察到的水位標高為19.60 m，水位埋深為32.18 m。其地質情況見圖3。

1.3 施工特點分析

由于工程項目周邊環境復雜，制約施工因素多，加上地質條件特殊、車站結構寬度大、主體結構與附屬結構距離近，故施工工序復雜、施工風險高，給項目施工籌劃帶來了很大的困難。如：① 道路下方淺埋、多跨、大空間地鐵車站暗挖施工的開挖步序復雜。工程施工面積大，采用暗挖技術挖掘的土方和占用的地下空間相較于一般車站要大。② 幾乎是零間距距離上跨既有線，下穿熱力管溝，變形控制難度大。③ 砂卵石地層洞內狹小空間大直徑機械快速成樁技術難度大。④ 換乘車站需要新建的附屬結構多，體量大，施工接口多，施工難度大。

圖1 北京地鐵16號線二里溝站平面圖

注：地面標高為51.400 m; T為熱力管溝。圖2 北京地鐵16號線二里溝站橫斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of lateral section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

注：圖中數字皆為標高，單位為m。圖3 北京地鐵16號線二里溝站中間段地質剖面圖Fig.3 Geological section of the middle section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

2 主體結構施工方案選擇

2.1 明挖+暗挖方案

原施工方案中車站主體采用兩端明挖，中間暗挖的方案[1-2]。圍護采用φ1 000 mm @ 1 500 mm的鉆孔灌注樁，內支撐采用φ609 mm，厚14 mm的鋼管支撐[3]，豎向設4道。北京地鐵16號線二里溝站原設計剖面示意圖如圖4所示。

2.2 優化后的全暗挖方案

在深入細致做好調查、研究的基礎上，超前對各種施工方案進行比較、優化，對各附屬結構統一優化規劃，具體如表1所示。

2.3 PBA法比選

在確定選用暗施工挖工藝后，對單層導洞PBA法和雙層導洞PBA法施工進行比選。兩種施工方法的施工工況對比如表2所示。

由表2可知，相較于原設計方案，優化后的方案采用單層導洞PBA法，主體結構全部采用暗挖能節省成本、縮短工期。

該車站兩端兩層三柱四跨暗挖段的開挖斷面為18.36 m×29.40 m(寬×高)，采用PBA法施工。

注：標高以m計，其它尺寸以mm計。圖4 北京地鐵16號線二里溝站原設計剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of original design section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

表1 附屬結構優化方案Tab.1 Optimization scheme of ancillary structure

表2 單層導洞PBA法與雙層導洞PBA法施工工況對比Tab.2 Construction conditions comparison between single-layer and double-layer pilot tunnel PBA methods

一般地層采用φ42 mm、長3 250 mm的小導管超前預注漿加固，卵石地層采用φ25 mm、長275 mm的小導管超前預注漿加固，局部采用雙排小導管注漿加固[6]。

注漿漿液在中砂、粉細砂地層采用改性水玻璃，其余情況采用水泥-水玻璃漿液注漿[7]。邊樁采用φ1 000 mm～φ1 600 mm機械成孔樁，中樁采用人工挖孔+機械成孔φ1 000鋼管柱。

3 PBA法單層導洞施工開挖順序研究

3.1 導洞可行開挖方案

PBA法施工步序在橫通道內進行導洞施工，導洞采用臺階法施工[8]，小導管超前注漿加固土體，C20噴射混凝土支護。從西往東小導洞依次編號為1#、2#、3#、4#、5#導洞(見圖5)。為規避5#導洞周邊待遷改的大直徑給排水管線風險，盡量安排5#導洞滯后開挖。

3.2 不同導洞開挖方案對地表變形影響分析

相鄰導洞縱向開挖間隔為15 m，非相鄰導洞縱向開挖間隔為6 m。通過使用MIDAS-GTS數值分析軟件對導洞的3種先后開挖順序進行模擬分析，重點分析導洞開挖順序對地表沉降的影響。按車站導洞開挖后對地表沉降的影響來選擇最合理的開挖順序[9]。

圖5 小導洞開挖圖Fig.5 Diagram of small pilot tunnel excavation

不同導洞開挖方案對地表變形影響的仿真計算結果提取見表3。

表3 不同導洞開挖方案對地表變形影響的仿真計算結果Tab.3 Simulation calculation results of various pilot tunnel excavation schemes influencing ground surface deformation

通過對3種不同導洞開挖順序的數值模擬對比，可以發現是否及時支護對掌子面的穩定性影響較大。當使用超前預注漿加固時，施工引起的拱頂沉降和地表沉降明顯減小。通過3種不同導洞開挖順序過程比較，對于軟弱地層，通過小導管超前注漿，可以加固地層，控制施工沉降，對維護掌子面穩定和保障施工安全具有重要意義。導洞從中間開挖，然后間隔開挖導洞可以使其對地表的沉降影響最小，因此，應選擇方案C的開挖方式。

4 初期支護扣拱順序變化對地層變形影響

4.1 初期支護扣拱順序可行方案

在導洞背后回填完成后，沿初期支護扣拱輪廓上方，在橫通道墻壁進行超前預注漿加固地層施工。超前預注漿加固地層施工完成后進行初期支護扣拱的開挖支護。施工步序為：施作超前小導管→馬頭門開口→開挖土方→架立拱部格柵→預埋背后注漿管→噴射混凝土→拱頂初期支護回填注漿[10]。

初期支護扣拱開挖順序如圖6所示，可分為2個方案：方案①按照先兩邊后中間的原則扣拱，扣拱順序為Ⅰ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅲ；方案②按照先中間后兩邊的原則扣拱，扣拱順序為Ⅱ→Ⅳ→Ⅰ→Ⅲ。

圖6 初期支護扣拱開挖順序示意圖

4.2 數值模擬結果分析

PBA法施工過程中，初期支護扣拱是影響地表沉降的1個重要因素[11]。通過MIDAS數值模擬軟件對三柱四跨五導洞的4個扣拱進行模擬，比較兩種不同的扣拱順序方案對地表沉降的影響(見表4、圖7)，得出扣拱從外到內對地表的沉降影響為最小，因此，應選擇方案①。

表4 兩種扣拱順序方案的最大沉降對比表Tab.4 Comparison of maximum settlement between two buckle arch sequence schemes

圖7 初期支護扣拱開挖地表沉降圖Fig.7 Ground surface settlement diagram of initial support buckle arch excavation

5 結論

1) 地鐵車站采用非PBA法施工時，開挖邊導洞和中導洞時，最大地表沉降均發生在導洞中線處。中導洞開挖時，下導洞拱頂沉降較大；導洞開挖時，初期支護應盡快封閉成環，以減少地層沉降。在拱扣施工階段，最大地表沉降發生在拱扣中心線處。

2) 最大地表沉降位置隨3個階段的施工順序不斷變化。施工中地表沉降監測應按上述規律在地表布設測點。

3) 3個階段中，扣拱施工階段拱扣處的地表沉降值最大，PBA法施工對地表沉降起到了控制作用。

4) 跨越既有地鐵車站施工時，應對既有地鐵車站結構及軌道進行監測，特別是對受影響區段范圍內地鐵結構寬度大于0.3 mm的裂縫及相關病害應加強監測。