复杂环境条件下富水卵石地层暗挖地铁车站建造方案研究

2020-03-16卢常亘张仲宇张兴昕李明皓

铁道标准设计 2020年3期

李贺，卢常亘，张仲宇，张兴昕，李明皓

(1.北京市市政四建设工程有限责任公司，北京 100176； 2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

引言

北京地铁16号线红莲南里车站位于莲花河东岸与红莲南路交叉路口下，为地下双层三跨岛式站台车站。由于车站邻近城市河道布置，车站周边建筑物均在开挖影响范围内，车站上方地下管线密集，车站穿越的地层为低含砂率的卵石地层，胶结性能差，自稳能力差。因此车站建造方案必须确保“邻近城市河道、周边建筑物、周边地下管线和结构自身”的安全。

车站主体结构原设计采用8导洞(上下各4个导洞)的暗挖洞桩法(PBA工法)施工[1-6]。PBA工法是北京地铁暗挖车站一种最重要的施工方法，该方法在北京地铁车站施工中得到了广泛的应用[7-11]。在对车站赋存环境条件、围岩稳定性和地下水特征进行综合分析的基础上，针对原设计方案存在的问题，提出了单层4导洞PBA工法，并对两种工法的施工力学机理进行对比分析。

1 车站赋存环境条件及地质特征分析

(1)车站主体密贴城市河道布置，车站出入口暗挖垂直下穿河道，为北京首例。

红莲南里车站西侧为莲花河，车站平行旁穿莲花河。莲花河现状河宽约20 m，水深约0.5 m，车站边墙距离莲花河约6.3 m，距离莲花河底约6 m。车站边墙结构侵入规划河道蓝线约3.25 m。

结构周围地层的变形会波及到河床位置，很容易在河床底部的地层中产生导水裂隙，危及河道的安全和结构自身的安全。

(2)车站邻近建筑物布置，并下穿多条市政管线和工业管线。

邻近的建构(筑)物主要有车站东侧的小红庙4号楼、5号楼，西城区广安门大队和红莲南路6号院7号楼。

沿车站方向控制性管线主要有：D1050污水管，D406燃气管，φ300与φ273重油管线两条，DN400上水管等；沿红莲南路方向(垂直于车站方向)控制性管线主要有3 400 mm×2 350 mm污水管沟、DN400上水管等；沿红莲南路方向控制性管线主要有：2 000 mm×2 350 mm电力管沟，2 600 mm×1 000 mm雨水方沟，D1050污水管，DN600上水管及新建DN500热力管线等。

(3)车站围岩整体稳定性差，且进入含水层。

车站拱顶位于卵石⑤层，基底位于卵石⑦层和卵石⑨层；由于暗挖施工位于大粒径卵石层，在大粒径卵石、随机分布有漂石的含潜水的敏感地层中，围岩整体稳定性差，成拱困难，容易坍塌。

车站位置主要分布地下水类型为潜水(二)，地下水位高程为21.46～19.43 m，含水层岩性主要为卵石⑦层和卵石⑨层。含水量丰富。主体结构底板高程14.96 m，基底进入潜水(二)层6.5 m。车站整个负二层的开挖都需要考虑如何有效控制地下水的影响。详见图1。

图1 车站地质特征纵剖面

综上所述，车站建造方案的确定应考虑到车站围岩特征和地下水状况，确保“邻近城市河道、周边建筑物、地下管线”的安全和车站施工安全。

2 车站原设计方案存在问题的分析

车站原设计方案为8导洞暗挖洞桩法施工，上下各4个导洞(图2)。该方案存在的主要问题如下。

(1)导洞数量多，开挖群洞效应显著，叠加沉降大，环境风险大。

8个导洞开挖叠加沉降产生的沉降槽宽度大，沉降值大，由于车站赋存的地层为低含砂率的卵石层，自稳能力很差，开挖产生的地层变形会波及到河床、管线和建筑物位置，很容易在河床底部的地层中产生导水裂隙，危及河道的安全，也容易造成管线破裂，进而产生次生灾害，危及城市道路和周边建筑物的安全。

(2)卵石地层中导洞开挖与支护施工效率低，支护效果差。

车站主体结构拱顶主要位于卵石⑤层，基底主要位于卵石⑦层和卵石⑨层，夹杂着飘石，含砂率低，地层胶结性能差，围岩自稳性较差，在低含砂卵石地层中施工超前小导管，由于成孔难度大，施工速度慢，同时对地层扰动很大，开挖与支护施工效率低，支护效果差。

(3)下层导洞开挖阶段地下水控制难度大。

下层4个导洞位于含水地层中，更增加了导洞开挖支护的难度。

图2 原设计的8导洞PBA工法车站结构示意

3 实际采用的单层4导洞的PBA工法建造方案

考虑到8导洞方案的下层4个导洞周围地层为富水卵石地层，超前支护难度大，导洞开挖前需要采取降水或注浆堵水措施。红莲南里车站初步设计提出的8导洞的洞桩法不适合本工程情况。经过对方案的多次讨论比选，提出了由8导洞PBA工法改为单层4导洞PBA工法，结合上层4导洞和中导洞内桩基础建造地铁车站的结构方案(图3)。

图3 优化后的单层4导洞PBA工法车站结构

这种基于单层4导洞和中导洞内桩基础的地铁车站结构，主要包括：在车站上层设置4个导洞，在两侧边导洞内施工围护结构边桩，在两个中导洞内施工大直径桩基础、车站内部的钢管柱(钢管柱内灌入C50混凝土)及顶纵梁。然后进行车站拱部的开挖支护和二衬施作，在顶拱、边桩的保护下，采用逆作法向下逐层开挖土方，施工顶拱二衬、侧墙、中板结构、底纵梁、底板结构，一起组成桩、梁、拱、柱和板的框架支撑体系，承受外部荷载。地铁车站结构由外边桩、拱顶初支、拱顶二衬、内层二次衬砌、钢管柱、底纵梁和顶纵梁组成永久的承载受力体系。

这种单层4导洞+导洞内大直径桩基础PBA工法优势如下。

(1)只需要开挖上层4个导洞，可减少导洞开挖数量，从而降低暗挖施工对地面沉降的影响。

(2)可实现边桩对周围建(构)筑物的保护，起到隔离作用。同时又实现暗挖车站的上层导洞、中导洞内桩基础、拱部开挖、拱部二衬施作等大部分工序仅在上层导洞内作业，显著缩短了降水周期。

(3)可利用上层导洞未进入地下水的有利条件，在向下开挖过程中逐步实施地下水处理。

4 两种PBA工法的施工力学机理分析

4.1 模型建立

(1)模型尺寸

本文的研究对象为北京地铁16号线的红莲南里站，车站全长262.7 m，主体结构宽22.4 m，标准段覆土深度13 m。车站主体结构的左上方密贴莲花河，为确定安全合理的施工方案，采用FLAC3D有限差分软件，对4导洞和8导洞两种不同PBA工法的施工力学机理进行比较分析。基于车站的实际规模，同时为避免计算模型的边界效应，两个计算模型的尺寸均为：长120 m，宽64 m，高75 m。8导洞模型共划分226 330个实体单元，233 025个网格节点；4导洞模型共划分252 732个实体单元，255 905个网格节点，数值计算模型分别如图4和图5所示。

(2)模型参数选取

车站结构和周围土体均采用实体单元模拟。车站混凝土结构采用弹性本构模型，土体材料采用摩尔-库伦本构模型，超前小导管注浆采用提高土体参数的方式模拟。为了便于建模计算，结合实际地勘资料和工程状况，将地层简化为6层，土体弹性模量按照工程经验，选为压缩模量的3～5倍[12-16]。地层物理力学参数和结构相关参数见表1、表2。

图4 8导洞PBA工法暗挖车站计算模型

图5 4导洞PBA工法暗挖车站计算模型

表1 地层物理力学参数

表2 结构物理力学参数

(3)边界条件

模型初始地应力场仅由土体自重产生，且土层为各向同性的连续介质，计算时不考虑地下水的影响。数值模型的上表面(地表)为自由边界，下表面为固定约束，左右和前后表面均为法向约束。

(4)控制点布置

以数值计算模型的中间截面(y=32 m)为监测断面，分别选取上方地表沉降控制点和车站主体拱顶位置的应力计算控制点，如图6所示。

图6 地表沉降及拱顶应力控制点

4.2 两种不同PBA工法的施工力学机理分析

(1)围岩破坏特征分析

围岩破坏特征可以通过土体塑性区分布来表示。土体塑性区是指土体由于荷载产生压力超过土体极限承载力，使局部土体产生不可恢复变形的屈服区域。8导洞施工方案和4导洞施工方案地层塑性区分布如图7和图8所示。

图7 8导洞方案塑性区分布

图8 4导洞方案塑性区分布

从图7和图8可以发现，塑性区主要集中在车站开挖断面周围土体，且沿开挖轮廓呈不规则分布。车站四周土体处于剪切塑性状态，主要是受车站大范围土体卸荷而引起的土体剪切破坏所致；远离车站的模型边缘部分基本上处于弹性状；小导洞周围以及拱部上方塑性区较为集中。

对比8导洞和4导洞两种施工方案的塑性区分布，可以发现：8导洞的塑性区比例明显大于4导洞，因此8导洞施工方案较4导洞方案对土体的扰动影响更大。由于车站主体结构旁穿莲花河，从图中可以看出，8导洞施工方案土体的塑性区与河道底部贯通，而4导洞方案塑性区未贯通到河道底部，显然采用4导洞方案风险性更小一些。因此在塑性区分布方面，4导洞PBA工法要优于8导洞PBA工法。

(2)结构应力特征分析

PBA工法8导洞方案和4导洞方案的车站结构竖向应力云图如图9和图10所示。