暗挖下穿既有隧道的地铁车站结构设计研究

2023-02-26孟庆彬

建筑与装饰 2023年23期

孟庆彬

浙江华展研究设计院股份有限公司浙江宁波 315010

引言

近年来，大部分城市都在着力建立完善的交通网络，地铁工程为其中的重点项目。地铁工程利用了地下空间，对提高交通效率、缓解交通压力具有重要的意义，能为城市创造较大的经济与社会效益。但地铁工程属于大型项目，其建设中的技术要求较高，我国在长期的地铁车站项目建设中积累了丰富的经验，构建了相对完善的施工技术体系。但面对暗挖下穿既有隧道的情况时，有关人员需结合现场情况优化地铁车站的结构，减小施工作业对既有隧道的影响。

1 暗挖下穿既有隧道施工技术

1.1 隧道荷载分析

地铁车站项目中如面临暗挖下穿既有隧道情况，相关人员在设计与施工中应考虑隧道荷载大小，在此前提下优化车站结构。在分析隧道荷载时关键应考虑围岩松动压力，可通过以下方式来获取：①现场实地测量，就是安排专人进入现场展开一系列测量，以得到完整、准确的测量结果，可能因测量技术、设备等而影响结果准确性。②理论公式计算，就是借助相应理论，通过实践分析来得到结果。但实际的工程中因为围岩地质有一定变化，在计算过程中的相关参数无法确定，再加上存在诸多因素影响，很难建立通用的围岩压力理论计算方法[1]。③经验法或工程类比法，也就是通过统计的方式考虑现场情况，但此方式下相关人员需有丰富的工作经验，开展前期调研、统计大量的工程信息，通过围岩分级得到围岩压力的经验值，将此数值作为后续确定围岩压力的参考。此方式下的数据基本能代表现场的围岩压力。一些情况下隧道结构的计算结果不能直接用在荷载设计中，针对此现象需选择恰当的方式修正结果。

1.2 监控量测

地铁车站建设中如遇到暗挖下穿既有隧道的施工情况，为减小地铁车站施工对周边建筑的影响，在工程现场必须开展监控量测，以通过测量获得的结果判定围岩是否稳定，选定设计与施工方式。现场的监控量测中需着力考虑地形地貌、支护结构、支护参数等来选定测量方式[2]。当前的工程领域对监控量测有较高要求，但这些量测项目中部分为必测项目，部分为选测内容，施工现场有关人员必须根据围岩级别、作业条件来确定量测项目。通过规范化开展必测项目，能为结构设计、施工建设提供可靠保障。

1.2.1 既有隧道的监测。针对既有隧道的量测，因为在测量的专业性较高，必须将此项工作交由专业人员来负责，这些人员在用先进量测技术、仪器获得了量测数据后，能总结一套符合实际的地层稳定性规律，了解现有隧道衬砌的受力特点、变化情况，并整合隧道结构变形、沉降等对结构施工的影响机理，从实际情况着手制定安全防控措施，以应对后续施工中可能发生的事故。按照一般情况，在既有隧道的监测中，监测断面应在左右线隧道中线、新建工程中线交叉处、两侧对称布置。

1.2.2 交叉点的监测。临近交叉点位置极易出现施工安全问题，为减少这些问题，在现场也需展开一系列的监控量测，增加监控点，实现动态监测。经由监测结果，专业人员可选定此位置的开挖工艺、确定爆破参数与起爆方式等，为后续施工作业提供可靠保障。

2 工程概况

某地铁车站项目，其周边分布有大量建筑物、交通线路密集，施工建设中涉及暗挖下穿既有隧道条件。结合本工程现场的情况调查，隧道全长1.84km，为明挖工艺。地铁车站建设期间，对隧道双孔闭合框架结构有一定干扰，隧道顶板、底板、侧墙、两端墙厚分别为1m、1m、0.9m、0.7m、0.8m。工程现场的地质水文条件复杂，包含杂填土、粉土填土、粉土、黏土、粉质黏土等，地下水充沛，有上层滞水、潜水、承压水、层间水。潜水水位在车站中楼板处，承压水水头在车站底板以下1m。

3 车站主体结构设计要点

3.1 结构设计方法对比

此地铁车站工程中车站在既有隧道结构下方，施工建设中主要可采用明挖法、盖挖法、矿山法。根据此车站现场的情况，经由技术性、经济性、安全性等分析，最终选择矿山法。

本车站施工建设中，难点在于控制地表沉降，不仅需保障车站施工作业，也需减小其对既有隧道结构的扰动。矿山法作业中，交叉中隔离法（CRD）下的开挖工作量大，断面尺寸大，可能引发较大的地层沉降，与本工程项目的施工要求不一致；一次扣拱法下的导洞开挖断面尺寸也相对较大[3]。从车站现场的实际情况分析，最终选用了PBA工法，此工艺下具有诸多优势：导洞开挖断面尺寸小，对既有隧道的地基扰动小；如为平顶车站结构，车站顶板应与隧道底板紧密贴合，在构建了柱体体系后，能作为隧道的支顶。综上，现场作业中采用PBA施工方式。

3.2 二衬结构方案

以PBA工艺的普遍性作业流程分析，可将本车站建成拱顶车站，为将隧道沉降控制在安全标准内，车站与既有隧道应有一定距离，以符合安全性施工要求。既有隧道底板埋深12.5m，如车站施工中与既有隧道之间保持5m的距离，车站顶板埋深为17.5m，此埋深数值较大，将同步增大车站桩基础压力，因为基底持力层地基承载力虽有增长，但增长幅度有限，如桩基顶部荷载超出上限，基础设计中需考虑更多因素，后续作业中也存在较大风险。另外，车站与既有隧道保持5m的距离，不利于隧道的沉降控制。

通过上述分析，可选择将车站设计为平顶直墙断面，使车站顶板与隧道底板紧密贴合。这一方式下不仅能大大减小埋深，还能从根本上控制荷载、车站结构构件尺寸。另外，车站顶板密贴隧道的结构下，车站能作为隧道的支顶，对预防和控制隧道沉降非常有效。

3.3 临时支顶结构体系

3.3.1 主体结构导洞。地铁车站中导洞为不可或缺的部分，在导洞中涉及诸多施工任务，如边桩、中桩的机械化成孔作业、钢管混凝土柱的安装、冠梁与顶纵梁的浇筑作业。永久支顶体系建成以前，导洞结构为上方既有隧道的临时支顶，在整个结构体系中具有重要作用。

考虑在桩下、柱下是否有设置的条基，PBA工艺下此车站的导洞结构形式有以下三种，其对比结果如表1所示。

从上表可知，本车站建设期间应采用4导洞施工方法。现场作业中应遵循4导洞施工规范，如在开挖阶段，应两两一组开挖，率先开挖1和3导洞，结束并通过验收后，滞后一个柱距开挖2和4导洞，或者在施工建设中可先开挖1和4导洞，滞后一个柱距开挖2导洞，最后滞后一个柱距开挖3导洞[4]。依据PBA工艺的施工情况，一般在导洞开挖中无严苛规定，技术人员与施工人员应立足现场情况来确定开挖流程。针对本车站实际情况，需尽早构成隧道的支顶体系，如在隧道完全贯通后立即设置边桩，并开始冠梁混凝土的浇筑作业，能达到支顶目的。

经过有关软件的模拟分析，现场作业中应坚持以下工序：1、4导洞施工、边桩、冠梁作业、2、3导洞施工、中桩与结构柱、其余结构。

3.3.2 钻孔灌注桩（边桩、中桩）。车站施工过程中边桩、中桩的竖向刚度相对较大，超过了导洞，且边桩、中桩与上方既有结构紧密贴合，在现场构造了桩柱体系后，上方既有结构的荷载通过钻孔灌注桩传输，因此，车站结构体系中的边桩、中桩为第二套临时支顶。

中桩结构按照一柱一桩布置方式，本质上为轴心受压构件，其承受的荷载较大，超过了边桩承受的荷载，且中桩桩距超过边桩桩距。为此施工建设中相关人员应利用大直径桩作为中桩。

结构体系中单桩竖向承载力为核心指标，施工人员应通过经验公式、现场桩基静载试验的方式得到结果。根据本项目现场的诸多情况，经由一系列分析与计算，围护边桩桩长13m，柱下中桩桩长考虑了现场地层特点，部分长30m，一部分长22m。

在车站主体结构导洞内有关人员需严格按照相应标准开展桩基静载试验，经由一系列分析后，设计桩长符合结构施工标准。

边桩与中桩施工中，重点应关注其承受的荷载情况、桩径与桩长，因为二者的这些参数差异，在桩顶部位的沉降值有大有小。在结构施工中为防止车站顶板因边桩、中桩的不均匀沉降而产生大弯矩现象，应考虑采取相应的措施控制边桩、中桩的不均匀沉降。桩基沉降参照行业内的沉降计算公式来得到，并同步计算围护边桩、柱下中桩沉降值。

3.3.3 钢管混凝土柱。由于本地铁车站工程的结构体系复杂，结构设计中为保障结构安全性与稳定性，同样需做好钢管混凝土的设计与施工。第二套临时支顶构件中钢管混凝土柱不可或缺，虽仅为支顶结构的一小部分，但其也为永久性结构柱，在结构体系中承受一定的竖向作用力。具体的设计过程中相关人员需分析现场环境，做好受力分析与计算，确保所选择的设计方式能与结构刚度、强度、稳定性等要求相一致。

本地铁车站项目的结构体系复杂，现场作业中首先应做好钢管混凝土柱的定位，依据设计图纸选择恰当的测量工具，规范操作确保定位精度。结合行业内的相关要求，允许定位偏差应在2cm以内，垂直度偏差应在1/500以内，在计算柱的承载力时施工人员应分析允许偏差这一因素，并考虑地下车站结构跨度均衡性不足或者存在施工偏载问题时的情况[5]。

结构体系中钢管混凝土柱并非独立存在，其与其他构件之间存在紧密联系，为促进钢管混凝土柱与其他构件的可靠连接，相关人员应根据实际情况与结构要求，选择恰当的连接工艺，并以刚接节点来设计。本项目中钢管混凝土柱插入钻孔灌注桩基础一定深度，为符合结构安全与稳定标准，现场应通过构造处理方式锚固钢管柱，此时柱与柱之间的约束作用就为刚接。钢管柱与现浇中楼板梁的连接节点设计中需达到梁端剪力传递、弯矩传递要求，因为本车站箱型框架结构的受力特点，应采取环形牛腿与双梁相结合的形式，此形式的结构简单，施工便捷，更有助于实现结构质量与安全目标。