西安火车站咽喉区下地铁车站设计与优化研究

翁木生

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

随着我国城镇化进程推进，人口越来越密集，交通压力越来越大，地上地下立体化发展战略是未来城市发展的必然趋势[1-5]。地铁具有安全、绿色、快速等优点，各大城市均逐步投入建设，但是地铁线路具有不可预见性，又考虑到土地资源的紧缺性，地铁下穿既有建筑的情况不可避免。关于地铁下穿建筑物相互影响国内外已开展了多项专题研究，如地铁隧道下穿地面高层建筑的相互影响[6]，地铁隧道下穿既有线路的相互影响[7-8]，桩基施工与地铁隧道相互影响[9-14]，基坑开挖对既有地铁隧道的影响[15-16]，地铁隧道施工对地表沉降变形的影响[17-19]等。可以看出，目前的研究多集中于地铁区间施工与既有建筑物相互影响方面，而关于地铁车站设计与优化研究相对较少，尤其是火车站咽喉区地跌车站的方案设计研究更是少见。地铁车站是一个复杂的系统，关系到线位选择和站位选择问题，此外火车站咽喉区铁路设施设备众多，地质条件复杂，稍有不当，易导致此范围内的铁路设施、管网等因地面沉降而发生故障，影响其正常使用和安全。尤其道岔区对沉降更为敏感，如不能及时采取有效应对措施，将严重危及铁路行车安全。

图1 西安地铁4号线平面概况

基于以上认识，以西安地铁4号线下穿西安火车站咽喉区项目为依托，以火车站复杂地质条件下不同地铁车站方案设计为切入点，基于线位比选和站位比选两方面，开展考虑地质条件及上方火车站咽喉区等因素综合影响的地铁车站方案设计与优化研究，提出火车站咽喉区复杂地质条件下地铁车站的优化设计方法，同时分析后续车站施工可行性，讨论NTR施工方案的地表沉降控制难点，提出针对性控制措施，保障地铁车站的安全建设。研究结果可为类似项目的地铁车站方案设计提供参考。

2 工程概况

2.1 地铁4号线概况

西安地铁4号线线路全长36.3 km，共设车站30座(图1)，火车站站为第16座车站，五路口站、含元路站为相邻两站。地铁车站的推荐站位布置于国铁站场下方，线路与国铁站场斜交。地铁车站上方为火车站咽喉区，该段范围为碎石道床，区内有正线、到发线以及机务段检修中心。地铁下穿段落位于车站东侧站场内，地铁左线隧道下穿铁路股道15股，其中复式交分道岔1组，单开道岔3组；地铁右线隧道下穿铁路股道14股，其中单开道岔3组，且站场区内有大量接触网及信号设备。地铁车站北侧为F3地裂缝，F3地裂缝与大明宫南宫墙垂直距离约150 m，地裂缝地质条件较差，存在地层软硬不均及发生不均匀沉降现象，地裂缝对车站施工和后期运营均具有不利影响，尤其对车站整体受力情况不利，因此车站设置应与地裂缝保持一定距离，尽量减小地裂缝对车站的不利影响。

2.2 工程地质条件

图2 西安火车站地质纵断面

2.3 线位比选

结合目前国铁西安站改造及火车站综合交通枢纽分布情况，为了便捷与国铁、公交、南北广场客流的流通与疏散，减小对北侧大明宫遗址公园及南侧解放路两边商业的影响，首先对多种线路方案、多种站位布置进行了详细的研究和比选。初步勘察给出3种线位选择。方案1与国铁站场垂直相交，方案2为北广场站位，站场下出站通道东侧，方案3为南北广场均设站方案。经过对比分析可知，线路方案2下穿解放饭店2层部位，区间长度最短，穿越建筑物较少，施工风险相对较小；线路长度较短，线型较顺直，曲线半径相对其他方案较好；下穿大明宫保护范围较少，可确定为最佳线位，后续分析均以方案2走向作为基础。如图3所示。

图3 线位走向比选示意

2.4 地铁车站设计思路

线路在火车站站前下穿解放饭店、城墙门洞处、站场轨道咽喉区；地铁线路局部侵入大明宫保护范围，出站后下穿大明宫城墙。下穿大明宫望仙门，与丹凤门的距离约为220 m。与F3地裂缝夹角约为80°，推荐站位如图4所示。车站受F3地裂缝的影响，避让地裂缝120 m，与国铁改造同期实施。地铁车站为地下2层车站。通过设置市政联络通道实现与国铁、南北广场的接驳。且设置通至南北广场上的地铁出入口。车站长191 m，宽24.7 m，高15.84 m。主体建筑面积12 800 m2，轨面埋深(2层)17.4 m，覆土4 m。与国铁出站通道高差1.8 m。

图4 站位设计

图5 NTR工法剖面

3 NTR方案设计与分析

3.1 NTR法概述[20-21]

NTR法是利用小口径顶管机建造大断面地下空间的施工技术，国外已有20年的发展历程，应用于穿越道路、铁路、结构物、机场等下方的开挖工程，取得了较好的效果，该工艺在国内首次成功应用于沈阳地铁2号线新乐遗址站[22]。NTR工法作为新型地下结构暗挖工法，对解决困难条件下的地下结构施工有其独特的优势， 采用NTR工法修建暗挖单拱大跨地铁车站， 具有空间较大， 建筑景观效果好等优点。在NTR工法大直径钢管顶进施工过程中，顶部钢管的施工是减少地表沉降的关键，因此顶部水平钢管施工过程中应特别加强注浆工艺等相关技术处理措施，以最大程度地减少地表沉降。

3.2 NTR车站建筑方案

地铁车站位于西安火车站站场咽喉区下，西安站改扩建新建出站通道东侧，与站场斜交，车站拟采用NTR暗挖工法施工。根据NTR法施工工艺要求，需考虑大直径钢管的顶进、管间注浆止水等施工工序及工艺的要求，本工程设置南北两个竖井，南北竖井平面尺寸分别为18.6 m×30.8 m，43 m×30.8 m。车站顶板距火车站站场轨面基础以下14.5 m，以国铁火车站站台为正负零高程，地铁车站轨面埋深29.9 m，底板埋深34.1 m，车站站厅距国铁出站通道15.6 m；车站高19 m，宽26.808 m(图5)。

根据火车站站设计总平面图，车站总长221.1 m，暗挖段长162.2 m。NTR法施工时不需降水，共设28根钢管，其中管径2 m的共20根(图6中红色钢管)，管径2.4 m的共8根(图6中蓝色钢管)。

NTR工法施工工艺流程如下(图7)。(1)开挖车站南北两侧竖井，利用南北两侧竖井，按顶管施工工艺分层从上到下依次完成钢管顶进施工。顶管施工时由始发井向接收井顶进。顶进采用土压平衡顶管进行施工。钢管间进行全长注浆，注浆孔设置在管周上下左右45°位置。(2)从中间位置开始分步割除管间管壁，补焊防水、固定钢板，设置钢板支护，形成管廊空间，应注意跳作。(3)分段进行钢筋安装，模板支设及混凝

图6 NTR工法施工横断面(单位：mm)

土浇筑施工，形成贯通的底板、拱肋、肋间壳及拱内纵梁结构。(4)分段、分层开挖图示范围土方。施作主体小导洞、破除部分结构内侧钢管，施工立柱基础。(5)施工立柱，破除中板位置内侧钢管后进行中板结构钢筋混凝土施工。(6)破除剩余部分结构内侧钢管，回填及施作车站内部结构。

4 NTR沉降控制数值分析

4.1 车站主体施工数值模拟

车站数值模拟分析采用MIDAS-GTS软件，二维平面应变模型进行模拟计算，模型几何尺寸53 m×126 m，隧道断面宽26.808 m，高19 m，位移边界条件，隧道两侧距离模型边界为50 m，如图8所示。

图7 NTR工法施工流程剖面示意

图9 地层竖向位移等值线

图8 计算模型

计算模拟的施工过程分为：(1)钢管顶进；(2)割除管间钢板，浇筑二衬钢筋混凝土；(3)分层开挖隧道范围内土体。各个阶段地层竖向位移等值线如图9所示。

由以上结果可知，隧道开挖以前，钢管内二衬浇筑后对应的拱顶处地层最大沉降量为11.3 mm，地表路基最大沉降量为9.6 mm，隧道内土体分层分步开挖，引起拱顶处竖向地层的最大沉降值达到29 mm，地表路基最大沉降量为22.7 mm。相对而言，钢管顶进与二衬浇筑成环过程中引起的拱顶处地层沉降量占到最大沉降量的39%。这是因为大直径钢管长距离的顶进，造成了土体的扰动，引起初步沉降，隧道土体开挖形成临空面，荷载释放明显，引起了更明显的沉降。进一步观察发现，隧道拱顶处地层的沉降量在大规模土方开挖过程中，有回弹的现象，这与隧道洞身范围内大规模土方开挖引起地层的卸载回弹有关。

根据《铁路路基设计规范》，Ⅰ级铁路工后沉降不应大于20 cm。铁路路线修理规则规定车速小于120 km/h时，铁路线路轨道静态容许偏差管理值为6 mm，临时修补状态可放宽到10 mm；轨道动态容许偏差管理值为8 mm，临时修补状态可放宽到16 mm。根据数值计算结果可看出，车站施工引起的地表路基沉降虽未超过规范要求，但较轨道动态容许偏差管理值大，好在地层的沉降是个连续的渐变过程，因此在施工过程中及时联系铁路部门，根据监测数据，通过增加垫片、补充道砟等措施，可保持线路平顺，满足铁路行车安全。

4.2 沉降控制因素与措施

NTR工法在施工时有两大步骤是沉降发生相对较大的过程，也是本工程沉降控制两大重点和难点，分别是顶管过程和钢管切割及支护形成底板、肋、梁、壳空间的施工过程。此外车站主体与附属横向开洞亦属于施工的重难点，但横洞断面相对较小，本文不作为重点研究对象。

顶管过程沉降控制措施：(1)顶管施工前做好试验工作，为顶管施工提供可靠的施工技术参数，尤其是润滑泥浆的各项参数；(2)顶管过程中及时跟进测量监测工作，及时反馈监测信息，根据监测结果合理调整施工参数；(3)顶管过程中做好同步注浆、洞口注浆及补浆工作，保证泥浆套的合理压力，对地层形成补偿作用。同时洞门密封对泥浆套的保压作用至关重要，做好洞门密封工作；(4)钢管顶进完成后及时用水泥浆液对膨润土泥浆套进行置换。

NTR工法钢管切割及支护过程沉降控制措施：(1)钢管切割时严格按照设计要求分段切割，每段又分两步切割，第一步每切割1 400 mm隔1 000 mm，第二步切割隔下的1 000 mm，每一步每切割一次钢板必须及时焊接防水板、固定钢板及支撑，然后再进行下一块切割作业；(2)钢板应及时按照切割尺寸加工好，切割完成后必须及时进行焊接防水板、固定钢板及支撑作业，保证每一步作业及时跟进；(3)钢管切割支护完成后及时进行管外注浆；(4)保证钢板支撑及安装质量，严格按照设计位置进行支撑作业。一旦板、肋、壳等空间形成后，及时跟进模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑等作业，施工质量、速度是控制沉降最有效的方法。

5 结论与建议

(1)基于火车站复杂地质条件及建设条件，开展地铁线路比选和站位比选研究，综合考虑建设安全及换乘方便等因素，提出地铁车站的优化设计方案，方案2为最佳线位走向，施工规划满足工期要求。

(2)讨论了地铁车站NTR施工方案，采用数值手段分析不同施工阶段的位移变化规律，地铁车站采用NTR工法施工，钢管浇筑对应拱顶处地层最大沉降量为11.3 mm，地表路基最大沉降量为9.6 mm土体分层分步开挖引起拱顶处竖向最大沉降值达到29 mm，地表路基最大沉降量为22.7 mm，较轨道动态容许偏差管理值大，需通过增加垫片、补充道砟等措施，确保铁路行车安全。

(3)顶管过程和钢管切割及支护形成底板、肋、梁、壳空间的施工过程是沉降控制难点，针对施工沉降控制难点过程提供对应的控制措施，保障施工的顺利进行。