暗挖地铁车站近距离下穿浅埋桥基设计方案比选分析

■付黎龙 ■中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133

随着我国经济建设以及城市现代化建设的高速发展，越来越多的城市重视地下轨道交通的发展，如北京、广州、深圳、上海等大城市都正在修建大量地铁。而城市轨道交通线路基本都位于主城区，地铁车站大部分位于城市主干道及市政管网下方，工程地质及周边环境十分复杂，邻近市政桥梁等重要构筑物，施工风险极高。如何减小施工风险，降低施工难度，确保既有构筑物结构安全，合理确定施工方法及风险处理措施是设计方案所要面对的重要问题。

本文以北京地铁8号线二期工程安华桥站为例，针对车站近距离旁穿浅埋桥基的多种设计方案采取数值模拟对比分析，确定最终风险可控的设计方案。同时，通过与现场监测数据对比，可以进一步了解施工过程中施工步序对既有桥梁的影响，指导现场安全现场施工。

1 工程概况

1.1 地铁安华桥站工程概况

北京市地铁八号线二期工程安华桥站位于鼓楼外大街、北辰路与北三环交叉路口的安华桥西侧，横跨北三环中路，沿北辰路－鼓楼外大街南北向布置。安华桥西北是中国科技馆;东北是安贞西里小区;西南是北京医疗器械研究所;东南角是绿化带。

车站北端至南端依次为:明挖三层段，长15.6m，顶板覆土约为4.23m，底板埋深约为25.74m;洞柱法暗挖双层段，长65.1m，顶板覆土约为9.85m，底板埋深约为25m;暗挖单层段，长65.0m，顶板覆土约为12.83米，底板埋深约为25.31m;洞柱法暗挖双层段，长65.4m，顶板覆土约为11.15m，底板埋深约为26.61m;明挖三层段，长15.6m，顶板覆土约为5.09m，底板埋深约为28.49m。其中，车站暗挖单层段左线距离安华桥桥基较近，采用洞桩法施工;右线暗挖单层段采用CRD工法分六步施工。

车站总长226.7m，标准段宽度为22.8m。北端北安区间为矿山法区间，南端安安区间为盾构区间，盾构在车站南端盾构井接收。车站共设置6个出入口通道及2个风道。地铁车站与安华桥的平面位置关系见图1。

1.2 工程地质概况

图1 地铁安华桥站与安华桥平面布置图

安华桥站场地范围内地形基本平坦，地层条件较为复杂，由上而下依次为:杂填土①层、粉质粘土③层、细粉砂④3层、粉土⑥2层、粉质粘土⑥层、粉细砂⑦4层;圆砾－卵石⑧9层和中细砂⑨4层。勘探深度范围内主要揭露4层地下水:第一层为上层滞水，含水层为粉质粘土③层、粉土③2层，静止水位埋深6.60～10.00m。第二层为层间滞水，水位埋深15.70～16.20m，主要含水层为粉细砂④3层、粉土⑥2层。第三层为层间滞水，水位埋深24.80m，主要含水层为圆砾、卵石⑧9层，该层水不连续。第四层为潜水，主要含水层为圆砾、卵石⑩9层等，水位埋深31.60～34.70m，连续，水量丰富。

其中，安华桥站旁穿桥基及北三环中路段顶部位于粉质粘土层、粘土层，覆土厚约12.8m。车站暗挖单层段拱顶以上1.5m处为粉细砂层，有少量层间滞水;拱腰及底板位于粉细砂层及圆砾、卵石层，有少量层间滞水。潜水水位:13m。地下水对车站主体结构施工有一定的威胁。

图2 安华桥站地质纵剖面图

1.3 安华桥概况

安华桥为大型苜蓿叶式互通式立交桥，位于北京北三环和中轴线的交点，车流量极大，已建成运营20余年，经检测其技术状况仅为C级(合格状态，需小修)。桥基为条型扩大基础，基础埋深仅2.4m，车站主体距离条基平面距离仅5.4m。此外，安华桥过街通道结构为钢筋混凝土闭合框架，底板为现浇钢筋混凝土，侧墙、顶板、搭板为钢筋混凝土预制构件。每个通道设有2～4条伸缩缝，经检测其技术状况仅为B级。现状桥基及过街通道结构抗变形能力较差，不均匀沉降控制值仅为5mm，对变形控制要求极高。大体量暗挖车站近距离下穿浅埋桥基及过街通道实现毫米级的沉降控制是重大难题。

图3 安华桥现状照片

2 设计方案比选

2.1 原设计方案

由于安华桥位于北京北三环和中轴线的交点，车流量极大，而桥梁修建年代较久，桥基埋深较浅，其抗变形能力较差，且车站距离条基平面距离仅5.4m。为确保施工过程中，保证桥梁不均匀沉降控制值在5mm以内，地表沉降控制在15mm以内，车站下穿安华桥桥基段初步采用左右线单层单洞结构形式，施工方法为CRD工法。同时，在靠近桥基一侧打设双排φ150复合锚杆桩，间距0.5m。单层段断面如下图。

图4 地铁安华桥站与安华桥桥基空间关系图

单层段断面采用复合式衬砌，结构尺寸为9.6m×9.78m(宽×高).初期支护采用C20喷射混凝土(350mm厚)、钢筋网、格栅钢架及超前小导管，二衬为C40防水钢筋混凝土(600mm厚)。超前支护采用双排φ42普通钢管，壁厚3.5mm，外排长度为4m，内排长度为2m，沿拱部150°范围内环向布设，环向间距0.3m，纵向间距0.5m，注浆材料为水泥－水玻璃双液浆。

2.2 施工影响预测

2.2.1模拟计算分析

CRD暗挖段安华桥特级风险源为控制性风险源，因此该段风险工程控制的关键是最大限度的控制安华桥变形，从而保证其他风险源的安全。

(1)数值模拟计算分析

计算采用三维岩土力学有限差分程序FLAC3D进行模拟分析，考虑围岩与结构的共同作用、分步施工过程。计算范围取沿车站方向90米长，横向90米长，从地面起60米深范围的土体;安华桥桥基受力按照安华桥竣工图所提供:慢车道汽—20t 挂—100t，慢车道350kg/m，15t车验算。单层暗挖结构计算模型如图5所示。

(2)计算模型与单元划分

单层暗挖结构有限差分法施工模拟计算共生成66977个节点，62550个单元。

(3)计算结果及分析

①主应力情况

从结构的主应力图上分析，洞周围岩应力集中，有明显的成拱作用，沿洞周环向切向应力增大，法向应力减小，利于洞室稳定。洞周围岩墙脚外侧下方、土体发生小范围的塑性屈服和破坏，破坏深度2～2.5m左右。采用小导管注浆加固，如图5。

图5 单层暗挖结构计算模型

图6 单层暗挖结构开挖完成后位移图

由计算可得，施工期间地面最大沉降量为22mm。

由于车站开挖，造成地面沉降，从而引起安华桥基础的位移变化如下图7。

图7 桥梁条形基础A点在车站开挖后位移曲线图

经计算，桥梁条形基础随施工沉降量不断加大，基础最大沉降量为8.2mm时趋于稳定。

该计算模型是在完全理想的状态下模拟完成，由于施工期间车站开挖肯定会对土体造成扰动，且在周围各种环境的作用下引起的地面沉降有局部不确定性，为保证满足桥通所提出容许最大沉降量5mm的要求，因此施工前首先对桥基进行保护，以保证施工期间沉降量控制在5mm 范围内。

2.3 设计方案确定

由于受条件制约，现场无法围挡施作降水井及隔离桩，故需要重新制定施工方案。为保证暗挖施工的无水作业，车站暗挖单层段采用洞内帷幕深孔注浆止水方案，同时结合针对桥基的保护方案综合考虑工程技术措施。

2.3.1施工工法比选

结合现场实际情况，采用洞内帷幕注浆止水方案，并结合双侧壁导坑法、CRD工法及洞桩法等三种施工方法，利用数值模拟计算，对比分析不同施工方法对浅埋桥基的沉降控制效果。

下表为各种工法隧道拱顶及对应地表位置处的沉降值。洞桩法引起的隧道拱顶沉降及地表沉降最小，CRD工法次之，双侧壁导坑法最大。

表1 三种施工工法拱顶最终沉降值对比(mm)

从拱顶沉降值的历时曲线可以明显看出，三种工法的拱顶沉降均经历了前期沉降、快速沉降、沉降收敛三个阶段。相比之下采用洞桩法和中洞法施工时，前期控制沉降较好，中洞法后期控制沉降较差。综合以上分析可以看出，采用洞桩法造成的施工影响要相对小于另外两种工法。

2.3.2 设计方案确定

由于该段为车站旁穿桥基段特级风险源，地表沉降应控制在10mm，洞桩法工法虽然对地表扰动已经是最小的，依然无法满足设计要求，故需要采用洞桩工法的同时，对地层进行注浆加固，进一步较小对地表桥梁基础的的不均匀沉降的影响。所以，改进方案模型图如下所示:

洞桩法注浆加固最终沉降值分布曲线如下:

图8 洞桩法注浆加固地表沉降槽曲线图

图9 洞桩法拱顶沉降曲线图

改良注浆加固方案，最终地表沉降值为6.7mm，满足设计要求以及对地表桥梁基础的不均匀沉降控制。

(1)左线采用单层洞桩法施工，右线采用CRD工法施工(因线间距小，不能布置两个洞桩结构);

(2)对洞桩小导洞实施全断面超前帷幕注浆固结地层，固结范围:外轮廓线5m范围内，采用水泥砂浆，注浆终压:0.5MPa。

方案的优点:

①不妨碍交通，节约钢筋砼隔离桩，节约大管棚;

②改为开设小导洞减小了扩散及扰动范围，发挥了挖孔桩承载力大，对土体扰动小;

③小导洞全断面超前帷幕注浆固结地层，又一次减小了扩散角，对控制沉降起了决定性的作用。下穿安华桥桥基最终实施方案见下图:

图10 单层洞桩法下穿安华桥方案图

3 现场施工效果

(1)通过单层洞桩法与帷幕注浆相结合方案下穿三环主路，确保了安华桥的安全，由于技术先进，措施得力，桥基施工期间总沉降量仅3.5mm(图11)，通过当年特大暴雨的考验，该桥完好无损，交通持续正常，受到业主及社会各界好评。

(2)单层洞桩与原方案相比:节约Φ1000mm钻孔灌注桩760m，节约Φ108mm大管棚2520m，工期提前30天，创造了较好的经济效益。

图11 安华桥桥基沉降历时曲线

图12 单层洞桩法段拱部二衬施工

以上过程可以看出:通过优化设计方案减小了施工风险;通过采取一系列的措施，使风险转化为安全;通过设置风险预案，可将风险损失降至最少;达到规避风险的目的。

4 结论与讨论

由于安华桥站位于北京北三环主路上，无法进行降水施工。为保证车站暗挖施工的无水作业条件，同时结合针对桥基的保护方案综合考虑工程技术措施，在车站靠近桥基侧的暗挖单层段采用了“洞桩法+洞内帷幕深孔注浆止水和加固”组合设计方案，施工引起的桥基总沉降量仅为3.5mm，桥梁处于安全可控状态，取得了较好的社会和经济效益。本设计方案及技术措施同时为地铁建设提供了良好的工程实例，对今后的类似工程具有很强的借鉴和指导意义。

［1］中铁隧道勘测设计院有限公司.北京地铁8号线二期工程安华桥站施工图设计.北京，2011.

［2］北京市地质工程勘察院.北京二地铁8号线二期工程02合同段岩土工程勘察报告.北京，2007.

［3］李立.北京地铁8号线二期南段工程设计与施工.隧道建设.2013，33(12):983～988.

［4］刘肖.北京地铁暗挖车站超近距离下穿既有桥梁施工技术.城市建设理论研究.2012(4):1－11.

［5］任伟强.暗挖地铁车站下穿桥梁施工关键技术.城市建设理论研究.2014(9):1－2.