冻结法暗挖北京地铁28号线核心区站设计探讨

梁智鹏 ,景惧斌 ,王 磊

(1.北京市交通基础设施建设项目管理中心,北京 100053;2.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013)

1 拟建核心区站工程概况

北京地铁28号线核心区站位于北京市朝阳区针织路上,在景辉街与景辉南街之间,南侧为景辉南街与针织路交叉口,西侧为CBD 核心区Z-11、Z-13地块,东侧是万达广场(高层建筑),位置见图1。车站中心里程K2+413.000,车站主体长121.6 m,宽约21.5 m,结构顶板埋深约为9.4 m,结构底板埋深为23 m。

图1 北京地铁28号线核心区站位置示意

核心区站土层自上而下为中粗砂④4层、卵石圆砾⑤层、粘土⑥1层(局部粉质粘土⑥层)、粘土⑥1层。结构顶板土层为中粗砂④4层,车站底板土层为粘土⑥1层,卵石圆砾⑤层为潜水的含水层,地下水位距离结构底板8 m,含水量较大。核心区站附近建筑物密集,人流量大,地面交通繁忙,不具备明挖车站的条件,只能采用暗挖法施工。开挖的下部站台层主要位于卵石圆砾⑤层,地层含水量丰富。卵石圆砾层是一种不稳定地层,卵石在地层中起骨架作用,其间充填各种砂层、砾石层,结构松散、无黏聚力,开挖中极容易出现涌水、涌砂,引起土体塌方、地表下陷等事故[1-3],因此如何在富水卵石圆砾地层中进行地层加固是关系到工程成败的关键所在。

常规地铁车站加固方法主要有三轴搅拌、地面旋喷等,三轴搅拌适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等,对砂层加固效果差[4-5]。在含水量较大、渗透系数较大的砂层中采用旋喷桩施工,浆液易被水流带走,加固效果差,不适合卵砾石地层[6-7]。地面加固受到场地条件及周边环境条件限制,核心区站西侧为北京CBD 核心区大厦,东侧为万达广场,此区域堪称北京地面交通最繁忙的地区之一,无法占用地面进行加固,故无法使用三轴搅拌和地面旋喷进行加固。若采用洞内水平注浆辅以地表降水方法,因核心区站暗挖长度大、含水量大,降水影响范围过大,且大规模降水会导致上部地表产生沉降,威胁地表构筑物安全,亦不可行。开挖核心区站需找到一种适合该工程实际情况、安全可靠的工法,这种工法既对上部环境影响小又适用于富水地层。

近年来,随着城市轨道交通建设的发展,越来越多的地下工程采用水平冻结法预加固地层,并取得了一定的成效,冻结法施工也作为一种成熟工法在地铁工程中得到广泛使用。周晓敏等[8]在北京地铁热—八线大北窑车站南隧道实现了我国首例水平冻结法施工,顺利通过了粉细砂困难地段,证明水平冻结法是暗挖隧道软弱含水地层中封水的有效方法。北京地铁6 号线玉带河大街站—郝家府站区间1号联络通道、2号联络通道,埋深20.6 m,穿越地层为粉细砂⑤1层、粉细砂⑤层、粉细砂⑤层,采用冻结法暗挖顺利穿越不利地层[9]。北京地铁8号线在天桥站—永定门外站区间2号联络通道顶部埋深30 m,处于卵石粉质黏土复合地层中,距离永定门桥桩基仅20.73 m,水位线在联络通道以上9 m,采用冻结法加固方案顺利完成构筑[10]。冻结法加固土体在其他城市也具有大规模的成熟应用[11-14]。

笔者基于北京地铁28号线核心区站工程,对核心区车站进行冻结法加固可行性进行分析,对冻结方案进行预设计,为北京地铁车站在富水条件下的暗挖方案选择提供参考。

2 冻结法暗挖车站设计

北京地铁28 号线盾构隧道为大直径隧道(ϕ8 300 mm),可利用大直径盾构隧道作为工作面,采用跟管钻进、保压钻进方法施工冻结管,穿越卵石地层进行冻结暗挖施工,隔绝地下水、开挖土体并构筑车站,拟开挖构筑的车站剖面见图2。

图2 规划设计核心区站断面

大直径(ϕ8 300 mm)盾构隧道推进完成后,利用大隧道作为工作面,向车站内侧打钻,设计形成上部、下部弧形冻结壁,有效隔绝水位,每段中间部分冻结开孔位置如图3所示,端头部分冻结开孔如图4所示。在车站横向方向上,设计分为A、B、C三段冻结,每段长度为33 m,见图5。冻结管横向方向间距为1 200 mm,每段设计冻结时间55 d,三段区域中部设置3 m 厚度冻土墙,减小长距离冻结壁渗漏风险,且冻土墙可承载上部土体重量,三块区域分段冻结、分段开挖,既可以加快施工进度,又可以节约冷量,设计冻结壁厚度为3 m,并对此冻结壁厚度进行验算。

图5 核心区站冻结分段设计

开挖顺序需适合车站暗挖实际情况,谨慎拆除管片,增加临时支护,减小控顶距,及时施加永久支护。核心区站开挖顺序为先开挖大直径隧道两侧土体,并进行初期支护,中间预留2 m 冻土墙,后长度方向每掘进3 m 凿掉冻土墙,进行车站内部混凝土浇筑,顺序见图6。

图6 核心区站开挖顺序

3 冻结法帷幕强度验算

需对设计冻结壁强度进行计算,取每段中部最不利截面进行计算,计算采用有限差分软件FLAC3d进行,计算建模严格按照设计图纸进行,网格划分遵循重点部位重点分析的原则,重点部位加密网格,非重点部分增大网格以节省计算资源。网格建模如图7所示:计算模型左右水平计算范围(X 边界)均取隧道跨度的5 倍以上,为140 m;垂直计算范围向上取至自由地表,向下取隧道高度的5倍以上,为60 m,充分考虑了边界条件对隧道开挖的影响。现有方案网格划分数量为19.42万单元。

建立站厅层及隧道冻结壁、隧道管片、临时支护、永久支护模型,冻结壁厚度为3 m,中部冻土墙厚度为2 m,细部网格见图8。建立23万个网格单元。开挖顺序按照设计要求,见图6。土力学参数选取根据地勘报告对土力学参数进行取值,选用弹性准则进行计算,参数见表1。

表1 网格参数表

计算步骤按照隧道开挖顺序进行。计算程序首先计算原始地应力,土体的开挖是在应力重分布的基础上进行的,按实际开挖方法释放荷载,求解开挖后的应力场。模型底面边界固定;模型上、下、左、右边界面固定,上覆土体自重按实际重量计算。

计算结果如下:冻结壁承载力验算采用许用应力法,依据冻结法技术规范[15],强度检验安全系数按Ⅲ类冻结壁选取:安全系数为抗压强度2.0,抗折强度3.0,抗剪强度2.0。强度检验计算结果见图9和表2。最大主应力为0.66 MPa,最小主应力为1.2 MPa,剪应力为0.37 MPa。

图9 强度检验计算云图

表2 计算结果统计表

经计算可得:冻结壁平均温度-10 ℃、厚度3 m 时,冻土帷幕的总体承载能力足够,冻土帷幕两侧及底部有应力集中,但应力值小于强度值,且各项安全系数满足要求。

4 总结

北京地铁28 号线核心区站盾构隧道推进完成后,利用大隧道作为工作面,向车站内侧打钻,在车站横向方向上,设计分为A、B、C 三段冻结,每段长度约为33 m,冻结管横向方向间距为1 200 mm,每段设计冻结时间55 d,三段区域中部设置3 m 厚度冻土墙。计算得出冻结壁平均温度-10 ℃、厚度3 m 时,冻土帷幕的总体承载能力足够,冻土帷幕两侧及底部有应力集中,但应力值小于强度值,且各项安全系数满足要求,表明冻结法暗挖地铁车站方案是可行的。

随着北京城市轨道交通建设的快速发展,将有越来越多的地铁车站采用暗挖法施工,如北京地铁12号线、17号线等规划了多个暗挖车站,冻结法加固土体作为一种环保型成熟工法已在地铁工程中广泛使用,该设计首次将冻结法引入暗挖长距离地铁车站,将为北京地铁车站在富水条件下的暗挖方案选择提供有益的参考。