某先期建设地铁隧道为远期地铁预留下穿条件研究

梁 韵

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

某先期建设地铁隧道为远期地铁预留下穿条件研究

梁 韵

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

为研究先期建设的地铁隧道如何为远期地铁预留下穿条件，以某实际工程为例，针对两线路的交叉节点，提出两个预留方案，建立三维数值模型进行动态模拟，分析先期建设的隧道结构变形及预留支撑桩受力，从实施条件、安全性、经济合理性等方面对两个方案进行比较，最终选择在交叉节点处施作预留支撑桩，且令该支撑桩兼做远期下穿线路永久结构的方案设计预留工程，该方案已付诸工程实践。

地铁工程；区间隧道；远期线路；预留工程

随着城市轨道交通的迅速发展,地铁网络日益立体化、复杂化,先行建造的地铁线路需要为远期线路下穿提供预留条件的情况日渐增多,如何经济合理地设计此类交叉节点的预留工程成为非常值得关注的问题。然而,目前国内对于该课题的研究为数较少［1-3]。以成都地铁1号线南延线区间隧道与远期12号线线路交叉节点处预留工程为实例,对地铁远期线路下穿区间隧道预留工程设计方案进行分析研究。

1 工程概况

成都地铁1号线南延线起点―科技园站区间由世纪城站站后折返线工程终点接出沿天府大道西侧绿化带向南延伸到达科技园站,呈南北走向；根据线网规划,地铁12号线在此段范围内线路沿天府三街路中布置,大致呈东西走向,并正穿1号线南延线起点―科技园站区间。由于地铁12号线为远期线路,不稳定因素较多,为提高12号线的适应性和外部条件发生变化时的可实施性,业主单位要求在12号线下穿起点―科技园站区间的交叉节点处按照即可满足区间盾构穿过、又可满足车站在此处暗挖的条件进行预留,同时应充分考虑12号线施工时1号线南延线的运营安全［4]。鉴于远期车站下穿区间所需的预留条件更高,在确保满足远期线路区间盾构穿过要求的基础上,按照12号线车站下穿区间的情况进行预留工程方案分析。

1号线南延线起点―科技园站区间起讫里程为YDK20+698.1～YDK21+214.0,结构形式为单层矩形框架结构,采用明挖法施工,围护结构形式为桩+内支撑。远期12号线车站从区间南端下方通过,下穿里程为YDK21+188.5～YDK21+210.6,车站下穿区间段采用单层双柱三跨矩形断面,区间两侧的端头厅采用双层双柱三跨矩形断面。该工程的平、剖面位置关系如图1、图2所示。

图1 工程平面

1号线南延线起点―科技园站区间穿越的土层主要为黏土、细砂、卵石土,远期12号线车站主要位于强、中风化泥岩层。下穿段,区间隧道顶板覆土厚约4.0 m,12号线车站顶板紧贴区间底板。远期车站的端头厅采用明挖法施工,下穿段采用暗挖法施工［5]。

图2 工程剖面

2 预留工程方案

为使远期12号线车站顺利下穿起―科区间并保证区间运营安全,拟定2种预留工程方案(两方案中支撑桩的净距均需满足远期线路区间盾构下穿要求［6-9])。

方案一:(1)在远期12号线下穿段一端,于本区间结构底板下方打设一排φ1 200 mm@2 400 mm的钻孔灌注桩(C30混凝土)作为支撑桩,下穿段中部打设4根支撑桩(φ800 mm、C50混凝土,兼做车站主体结构柱),1号线南延线科技园站与区间接口处打设的围护桩兼做下穿段的第4排支撑桩,待车站施工完成后施工区间时将该围护桩凿除至区间基底位置；(2)将区间结构进行加强,下穿段区间结构底板按照兼做远期12号线车站受力顶板设计,并在区间底板相应位置设置支撑梁、暗梁。如图3、图4所示。

图3 方案一平面（单位：mm)

方案二:(1)在远期12号线下穿段的一端及中间,于本区间结构底板下方打设2排φ1 200 mm@ 2 400 mm的钻孔灌注桩(C30混凝土)作为支撑桩, 1号线南延线科技园站与区间接口处打设的围护桩(C30混凝土)兼做下穿段的第3排支撑桩,待车站施工完成后施工区间时将该围护桩凿除至区间基底位置；(2)将区间结构进行加强,下穿段区间结构底板按照兼做远期12号线车站受力顶板设计。如图5、图6所示。

针对方案一与方案二,拟定远期车站暗挖段的施工步序。

方案一暗挖段施工步序:①逐层开挖车站左侧土体,并及时顺序架设钢支撑；②施作车站左侧主体结构及防水层,待结构混凝土达到设计强度后依次拆撑；③逐层开挖车站右侧土体,并及时顺序架设钢支撑；④施作车站右侧主体结构及防水层,待结构混凝土达到设计强度后依次拆撑；⑤开挖车站中部土体,施作车站中部主体结构及防水层,使车站主体结构合龙。

方案二暗挖段施工步序:①逐层开挖车站左半幅土体,并及时顺序架设钢支撑；②施作车站左半幅主体结构及防水层,待结构混凝土达到设计强度后依次拆撑；③逐层开挖车站右半幅土体,并及时顺序架设钢支撑；④施作车站右半幅主体结构及防水层,待结构混凝土达到设计强度后依次拆撑；⑤凿除中间的支撑桩,使车站主体结构合龙。

图4 方案一剖面（单位：mm)

图5 方案二平面（单位：mm)

图6 方案二剖面（单位：mm)

3 三维数值模拟分析

为对比上述2种预留方案、给设计工作提供支撑和依据,依照2种方案分别建立三维有限元模型进行动态施工模拟。

3.1 模型说明与计算假定

建模范围考虑到尺寸效应引起的计算误差［10],计算范围取:上边界取至地表,下边界为3倍车站结构高,左、右边界距区间隧道外缘4倍区间宽度,前、后边界取距车站外缘5倍车站宽度。模型宽90 m,高 60 m,长100 m。计算中土层采用实体单元模拟,区间、车站结构采用板单元模拟,桩采用梁单元模拟［11]。

采用MIDAS-GTS动态模拟整个施工过程,对计算模型作如下说明。

(1)土体的物理行为按德鲁克-普拉格屈服准则、大变形模型计算,区间、车站结构、桩的物理行为按弹性材料模型计算,各种材料的计算参数见表1。

表1 各种材料的物理力学性质

(2)假定地表和各土层均成层均质水平分布。

(3)不考虑地下水在开挖过程中的影响。

2种方案的结构位置关系及支撑桩布置如图7、图8所示。

图7 方案一结构位置关系及支撑桩布置

3.2 模拟结果分析

由图9看出,方案一中,车站左侧土体开挖完毕并施作结构后,下穿段区间结构变形成非对称马鞍状,左侧开挖面上方的区间结构竖向位移较大,最大值为1.23 mm；车站右侧土体开挖完毕并施作结构后,下穿段区间结构变形成非对称马鞍状,右侧开挖面上方的区间结构竖向位移较大,最大值为1.39 mm；车站中部土体开挖完毕并施作结构后,下穿段区间结构变形成抛物线状,最大竖向位移为1.59 mm。

图8 方案二结构位置关系及支撑桩布置

由图10看出,方案二中,车站左半幅土体开挖完毕并施作结构后,下穿段区间结构变形成非对称马鞍状,左半幅开挖面上方的区间结构竖向位移较大,最大值为1.30 mm；车站右半幅土体开挖完毕并施作结构后,下穿段区间结构变形成非对称马鞍状,右侧开挖面上方的区间结构竖向位移较大,最大值为1.42 mm；车站中部土体开挖完毕、施作结构并拆除中间支撑桩后,下穿段区间结构变形成抛物线状,最大竖向位移为1.52 mm。

图9 方案一区间结构变形曲线

图10 方案二区间结构变形曲线

分析上述区间结构的竖向位移,可知,由于方案一中车站左、右侧土体的开挖跨度均小于方案二,故方案一第①、②施工步的区间结构竖向位移分别比方案二相应施工步小5.7%、2.2%；车站结构施工完毕后,方案一的区间结构竖向位移比方案二大4.6%,可见,虽然方案一每步的开挖跨度小于方案二,但因其开挖步序多、对土体扰动次数多,故引起的区间结构竖向位移略大于方案二。不过,两方案中区间最大竖向位移值均可满足区间安全运营的要求［12]。

由图11、图12可知,方案一中,两侧支撑桩的最大轴力为12 757 kN且轴力分布相对均匀,中部支撑桩的最大轴力为658 kN；方案二中,两侧支撑桩的最大轴力为12 843 kN。可见2个方案中,两侧支撑桩的最大轴力数值相差不大且均满足强度要求。

图11 方案一支撑桩轴力

图12 方案二支撑桩轴力

综合以上分析,两方案的实施条件相近,当考虑远期车站下穿区间时,根据计算结果,两方案中土体开挖引起的区间结构变形接近,最大竖向位移值均可满足区间安全运营的要求；而在方案一中,由于中部4根支撑桩可兼做车站结构柱,故较之方案二的凿除中部支撑桩,减少了工程浪费,且支撑桩受力更加均匀、明确。所以,从确保区间结构安全性、满足预留工程经济合理性的角度出发,选择方案一为最终设计方案。

4 工程实施

目前,1号线南延线起点―科技园站区间正在施工中,远期线路下穿段区间隧道的预留工程已按照方案一施工。

5 几点建议

根据本工程的设计、施工过程,提出以下建议:

(1)当出现先行建造的地铁线路需要为远期线路下穿提供预留条件的情况时,若远期线路存在不确定性,为减少工程浪费,在交叉节点处可优先考虑施作预留支撑结构；

(2)经过技术经济比选,在有条件的前提下,线路交叉节点处可采用预留支撑结构兼做远期下穿线路永久结构的方式设计预留工程；

(3)设计兼做车站永久结构的支撑桩时,应充分考虑施工期间、正常使用期间的荷载,并在既有区间结构底板加设支撑梁；此外,为减少远期线路车站施工时既有结构沉降、保证结构安全,可将下穿段区间结构底板按照兼做远期线路车站受力顶板设计。

［1] 安危.地铁车站预留区间隧道下穿条件技术措施及风险控制［J].生命与灾害,2009(S1):57-60.

［2] 高卫平.隧道预留超近距离地铁盾构穿越条件研究［J].城市道桥与防洪,2011(7):189-191.

［3] 陈鸿,冯云,季应伟.预留盾构穿越超短地下墙工法桩的围护结构［J].中国市政工程,2010(S):8-9.

［4] 成都地铁有限责任公司.关于规划12号线下穿世纪城站―科技园站区间预留措施的函［Z].成都:成都地铁有限责任公司,2012.

［5] 赵克生.浅埋暗挖法地铁区间隧道零距离下穿既有线施工技术［J].铁道标准设计,2008(12):72-75.

［6] 刘建航,侯学渊.盾构法隧道［M].北京:中国铁道出版社,1991.

［7] 陈湘生,李兴高.复杂环境下盾构下穿运营隧道综合技术［M].北京:中国铁道出版社,2011.

［8] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M].合肥:安徽教育出版社,2004.

［9] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用［M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

［10]潘昌实.隧道力学数值方法［M].北京:中国铁道出版社,1995.

［11]谭富圣.地铁隧道下穿扩大基础桥梁施工分析［J].铁道标准设计,2009(10):100-102.

［12]李兴高.既有地铁线路变形控制标准研究［J].铁道建筑, 2010(4):84-88.

Research on How to Reserve Interface Condition at an Early-stage Metro Tunnel So That a Planned Later-stage Metro Can Cross beneath It in the Future

LIANG Yun
(China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

U231

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.027

1004-2954(2014)07-0116-04

2014-01-10；

2014-02-10

梁 韵(1986―),女,工程师,2011年毕业于北京交通大学岩土工程专业,工学硕士,E-mail:cswx126@126.com。