暗挖下穿既有隧道的地铁车站结构设计

焦健

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）

暗挖下穿既有隧道的地铁车站结构设计

焦健

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）

受限于周边场地条件，某地铁车站下穿既有城市隧道设置。车站采取了平顶密贴既有隧道底板的结构方案；同时，采用PBA工法施工地铁车站，先后借助车站主体结构上导洞、车站桩柱体系，与四周土体共同作为既有隧道的临时支撑体系，保证地铁施工和运营期间既有隧道的正常运营使用。

地铁；PBA工法；下穿建筑物

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.005

1 引言

随着北京市轨道交通线网日益密集，新建地铁车站所处的环境也变得越来越复杂。北京地铁15号线奥林匹克公园站下穿既有的城市隧道设置。复杂的场地条件给车站结构设计带来了困难。

2 工程概况

2.1 站址周边环境

奥林匹克公园站位于奥运中心区，北京市中轴路西侧，大屯路隧道正下方，与大屯路隧道同呈东西向平行布置。

车站东北侧及东南侧为银杏树阵；东侧临近公交换乘节点、奥运下沉广场以及南北走向的奥林匹克公园景观大道；西南侧为国家会议中心，西北侧为绿地。站址周边环境如图1所示。

图1 站址周边环境

2.2 大屯路隧道概况

大屯路隧道位于奥林匹克中区内，西至北辰西路，东至北辰东路，全长约1.84km，隧道结构采用明开挖施工。车站施工影响范围内的隧道结构主要为双孔闭合框架，隧道的顶、底板均为1.0m，侧墙为0.9m，两端墙厚0.7m，中隔墙厚0.8m。隧道结构单跨净宽15.9m，结构净高7.4m。如图2所示。

2.3 工程地质水文概况

本工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层（Qml）、第四纪全新世冲洪积层（Q4al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl）三大类，由上至下分别为①粉土填土、①1杂填土、③粉土、③1粉质黏土、③2黏土、④粉质黏土、⑥粉质黏土；车站底板位于⑥粉质黏土层。

场地范围内存在4层地下水，地下水类型分别为：上层滞水（一）、潜水（二）、层间水（三）、承压水（四）。其中，潜水（二）水位位于车站中楼板位置，承压水（四）水头位于车站底板以下1m。

3 车站主体结构设计方案

3.1 结构设计要点

由于本站位于既有隧道结构下方，地铁车站常用的3种施工法中，明挖法、盖挖法在此不具备可实施性，因此只能采用矿山法施工。

下穿既有隧道施工，控制地层沉降，保证既有隧道的结构安全及正常运营，是本站设计施工的关键所在。在矿山法中，交叉中隔壁法（CRD法）开挖断面过大，引起地层沉降大，用于本站施工显然不具备优势；新兴的一次扣拱法同样存在导洞开挖断面大的问题。较之上述2种工法，PBA工法用于本站则有着独到的优势：（1）导洞开挖断面小，对大屯路隧道地基削弱范围小；（2）若采用平顶车站结构，车站顶板密贴大屯路隧道底板，那么桩柱体系形成后，能够形成对大屯路隧道的有效支顶。因此，本站选择采用PBA工法施工。

目前，北京地区的暗挖车站普遍采取管井降水的方式，而降水作业也会引起地层及大屯路隧道的沉降，因此尽可能缩短降水周期也是控制大屯路隧道沉降的有效措施之一。

3.2 二衬结构方案

如果按照PBA工法常规做法，将本站设计成拱顶车站，为了控制大屯路隧道沉降，车站与大屯路隧道之间必须留有足够的安全距离。大屯路隧道的底板埋深已经达到约12.5m，假定预留5m的安全距离，车站的顶板埋深将达到17.5m。如此大的埋深，会导致车站桩基础的压力变得过大，在基底持力层地基承载力fa增长有限的情况下，过大的桩基顶部荷载将增加基础的设计难度和工程风险。何况5m的安全距离也很难保证车站施工过程中大屯隧道结构的沉降控制在评估单位限定的允许变形范围内（大屯路隧道评估单位提出隧道的绝对沉降不得大于50mm，隧道中墙与边墙的差异沉降不得大于8mm）。

因此，考虑将车站设计成平顶直墙断面，令车站顶板密贴大屯路隧道底板。不但能够因为埋深减小而降低设计荷载，减小车站结构构件尺寸；更重要的是，车站顶板密贴大屯路隧道的结构设计，能够在车站施工过程和运营过程中形成对大屯路隧道的支顶，减小大屯路隧道因地基削弱而产生的结构沉降。

车站主体结构与大屯路隧道的剖面关系如图3所示。

图3 车站主体结构与大屯路隧道横剖面图

3.3 临时支顶结构体系

3.3.1 主体结构导洞

导洞是车站施工的先导结构，在导洞内需要完成边桩、中桩的机械化成孔施工，钢管混凝土柱的安装以及冠梁和顶纵梁的浇筑施工；同时，在永久支顶体系形成之前，导洞结构又是上方既有隧道的第一套临时支顶构件。

根据桩下和柱下是否设置条基，PBA工法车站可采用8导洞、6导洞、4导洞的结构形式[1]，表1对这3种结构形式做了比选。

表1 导洞方案比选表

从表1比选可以看出，选择4导洞施工方案对控制大屯路隧道结构变形更为有利。

4个导洞的开挖顺序，一般是两两一组进行开挖。可以先开挖1、3号导洞，滞后一个柱距开挖2、4号导洞（导洞编号由一侧边导洞向另一侧边导洞依次增加）；也可以先开挖1、4号导洞，滞后一个柱距开挖2号导洞，再滞后一个柱距开挖3号导洞。一般PBA车站对导洞开挖步序没有特别要求，上述2种方式都可以选择。而对密贴大屯路隧道施工的本站来说，尽快形成对隧道的支顶体系是至关重要的。若能在边导洞贯通后，马上打设边桩、浇筑冠梁，则能初步形成对大屯路隧道的支顶。为了验证这一思路，采用数值模拟程序FLAC3D对上述两种施工步序进行了仿真模拟计算，对计算结果进行了对比。

根据场区的工程地质剖面图，对地层分布进行简化；根据地质勘察报告中所给的土层相关参数，并参考北京地区其他相关工程的地质资料，确定各个数值计算模型中地层的厚度和物理力学参数。

计算模型如图4所示，其中，车站结构及大屯路隧道结构放大后如图5所示。

图4 整体计算模型

模拟施工时主要分为导洞开挖、桩柱体系形成、车站上层开挖、车站下层开挖几个施工步序。大屯路隧道结构底板在各施工步序产生的沉降如表2、表3所示。

图5 模型局部

表2 大屯路隧道底板沉降——施工步序一

表3 大屯路隧道底板沉降——施工步序二

由表2、表3对比可见，按照步序一施工比按照步序二施工产生的大屯路隧道沉降略小，因此本站采取如下施工步序：施工1、4号导洞→施工边桩、冠梁→施工2、3号导洞→施工中桩、结构柱→施工车站其余结构。

为了弥补主体结构导洞开挖对大屯路隧道地基的削弱，需要做好导洞间土体的注浆加固。对导洞间土体的注浆采取从导洞掌子面斜向打设袖阀管进行后退式注浆，每10m为一

图6 主体结构导洞间注浆加固范围

3.3.2 钻孔灌注桩（边桩、中桩）

由于边桩及中桩的竖向刚度远大于导洞结构，且二者均与上方既有结构密贴，因此桩柱体系形成后，上方既有结构的荷载便经由钻孔灌注桩传至深层地层中，边桩与中桩（包括中柱）因此成为第二套临时支顶构件。

中桩采用一柱一桩布置，为轴心受压构件。中桩承受的荷载略大于边桩所受荷载，且桩距远大于边桩桩距，因此中桩选择大直径桩。

单桩竖向承载力标准值采取经验公式与现场桩基静载试验相结合的方式获得。经验公式参照《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ11—501—2009）式9.2.4，经计算，围护边桩桩长为13m，柱下中桩桩长依据地层变化分为30m长和22m长2种规格。

现场桩基静载试验在车站主体结构导洞内进行。进行一定数量的静载试验结果表明，设计桩长能够满足设计荷载要求。

由于边桩与中桩所受荷载条件及自身桩径、桩长均有明显差别，因此桩顶处的沉降值亦有差别[2]。为了减小车站顶板结构因边桩与中桩的不均匀沉降而产生过大的弯矩，需控制好边桩与中桩的不均匀沉降。桩基沉降按《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）中的沉降计算公式计算围护边桩及柱下中桩的沉降值。该法采用Mindlin解考虑桩径影响，计算桩端平面以下的竖向附加应力，按单向压缩分层总和法计算桩端的最终沉降量。边桩、中桩的沉降计算值分别为10.9mm和22.6mm。

现场桩基静载试验中的边桩和中桩的沉降值分别为3.5mm和5.2mm。

桩基沉降的计算值偏大，认为是由于桩顶竖向荷载在沿桩向下传递过程中出现了向周围土层扩散的现象，导致桩端处的实际荷载远小于计算荷载。

3.3.3 钢管混凝土柱

钢管混凝土柱是第二套临时支顶构件的一部分，但同时也是永久结构柱，是施工和使用过程中的竖向受力构件。设计应结合本工法实际施工过程和受力特点，满足施工和使用期间各阶段的强度、刚度及稳定性要求，重点注意以下几方面。

1）钢管混凝土柱的定位是施工的一大难点，施工中应严格控制其定位精度。现行规范规定，允许定位偏差不大于20 mm，垂直度偏差不宜大于1/500，在柱的承载力计算中应考虑施工允许偏差的影响，另外还应计及地下车站结构跨度不均衡或施工偏载产生的柱顶弯矩的影响。

2）上下柱脚、中间节点连接及作用特性。钢管混凝土结构与其他构件之间的连接应按刚接结点进行设计，对于本工法，钢管混凝土柱需插入钻孔灌注桩基础内一定深度，并采取一定的构造措施将钢管柱予以锚固，柱与桩基础之间的约束作用可视为刚接。钢管柱与现浇中楼板梁的连接节点设计，应满足梁端的剪力传递和弯矩传递，考虑到地铁车站箱型框架结构的受力特性，建议采用环形牛腿+双梁的结构形式，此形式构造简单、受力明确、施工质量易于控制，较适用于地下工程。

4 结论

1）目前车站已经建成通车，从施工的情况来看，大屯路隧道底板沉降基本控制在评估允许值以内，局部沉降超过了50mm，位于横通道进主体结构导洞处的上方。经分析是由于横通道开洞处，洞门处的临时支顶构件（型钢）未能起到应有作用。

2）4导洞的PBA车站在沉降控制方面具有一定的优势，但方案可行与否还受到地层条件与成桩设备的限制。围护边桩与柱下中桩均采用在导洞内成桩的工艺，且柱下中桩的尺寸一般较大（本工程中桩直径为1800mm），若地层中卵石层厚度大，那么在净空有限的导洞内施工如此大的钻孔灌注桩，对成桩设备的改造也是一件难度不小的事。在本工程中，桩基穿越地层主要为粉土、粉质黏土，采用反循环钻机钻进成孔，桩基施工质量还是比较理想的。

【1】杨秀仁.浅埋暗挖洞桩（柱）逆作法设计关键技术分析[J].都市快轨交通，2012，25（2）:64-68.

【2】王元湘.盖挖挖逆作法在我国地铁工程中的应用[J].土木工程学报，1996，29（1）:3-14.

The Design of a Metro StationUndercrossing an Existing Tunnel

JIAO Jian
（BeijingUrbanConstructionDesign&DevelopmentGroupCo.Ltd.,Beijing 100037，China）

Limited bythesurroundingsitecondition,ametrostationislocatedunder an existingcitytunnel.To support the above tunnel structure,theflatroofofthestationisintightcontactwiththetunnelfloor.Otherwisethestationisconstructedbypile-beam-archmethod,and duringtheconstructionprocedureofthestation,upperpilotheading,pileandcolumnserveastemporarysupportcomponentssuccessivelyto keepthecitytunnelinnormalcondition.

metro;pile-beam-archmethod;crossunderneathstructure

TU921

B

1007-9467（2016）06-0038-04

2016-02-16

焦健（1981～），男，河北唐山人，工程师，从事地铁结构工程设计与研究，（电子信箱）29751153@qq.com。