地铁车站预留远期线路下穿条件设计

张 鑫 犇

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

我国城市轨道交通建设已处于快速发展期。除了北京、上海、天津、广州、深圳等大型城市已具有较为成熟的轨道交通网络外，不少中小城市也正在进行轨道交通规划、筹建或建设。由于地铁土建工程的特点，前期已实施的线路会对远期线路建设产生诸多限制因素，这就要求在地铁建设规划上具有一定的前瞻性，在设计和施工中对远期线路的实施有所预留，否则在远期线路的实施过程中可能会面临较大的投资和较高的风险。

新建线路隧道下穿已有车站工程是其中一种情形。在车站建设时，根据远期规划的指导，对远期线路穿越条件进行预留，可以减小远期线路实施时的风险，减少投资，同时也可以将远期线路实施时对本线路运营的影响控制在允许范围以内。本文以某市新建地铁1号线车站为例，介绍针对预留条件的相关设计方案。

1 工程概况

本案例为地下二层车站，沿城市主干道下方南北向敷设，车站主体规模291.5 m×18.3 m(标准段内净)，标准段埋深约16.8 m。基坑采用地下连续墙+支撑的围护形式。标准段地下连续墙厚800 mm，插入深度30.90 m。

车站基坑围护结构于2018年2月开工；2018年4月按照线网规划，相关管理部门要求设计考虑预留远期线路下穿条件并对设计方案作相应调整，此时已有部分处于预留范围内的地下连续墙按原施工图施工完毕，这增加了本站设计预留方案的复杂性。

2 工程地质及水文条件

在本站勘察深度65.45 m埋深范围内分布的地层分别为第四系全新统(Q4)地层、第四系上更新统(Q3)地层，自上而下可分为5个工程地质单元层，6个亚层。具体情况如下：

1)拟建场地地基土分布自上而下如下：①填土、①a淤泥、③1粉砂夹粉质粘土、③2粉砂、④1粉质粘土、④2粉质粘土、⑤1粉砂夹粉质粘土、⑤1t粉质粘土夹粉砂。

2)车站坑底位于第③2粉砂层，围护墙底位于第④1粉质粘土层中。

潜水主要埋藏于①层填土、③1层粉砂夹粘质粉土、③2层粉砂层中，稳定水位埋深为1.00 m～2.20 m。本工点勘察深度范围内揭示的承压水层为第Ⅰ层承压水层，第Ⅰ层承压水主要埋藏于第⑤1层粉砂夹粉质粘土中。经计算，本站坑底抗突涌安全系数满足要求，不需要降承压水。

3 预留下穿条件方案设计

3.1 概况

根据当地线网规划，远期线路将在本站站台中心线附近位置下穿，相对关系图如图1所示。因此需要在此处做相应预留措施。

远期线路隧道距离本期实施车站底板下约2 m，穿过车站东西两侧各5幅地墙。由于线网规划出台的滞后性，车站西侧5幅地墙已按原施工图设计施工，未预留玻璃纤维筋，且地墙接头采用的是H型钢。这增加了本次设计方案调整和远期施工的复杂性,见图2。

根据本站的特点以及目前的施工状况，设计方案从以下几个方面进行考虑远期线路下穿预留条件。

3.2 远期线路盾构穿越地下连续墙

远期线路的高度处于坑底以下地墙范围内，需要穿过本期实施车站的东西两侧各5幅地下墙。由于国内外目前尚无盾构直接穿越钢筋混凝土地下连续墙的工程案例，该范围内地墙预留范围内地墙需要采用玻璃纤维筋代替普通钢筋，地墙接头采用锁口管。由于本工程所处的土层以砂性土为主，为了保证地墙接头处的止水效果，在地墙接缝位置设置旋喷桩止水。

在远期线网规划确定前，设计方案还未及时调整时，已有一侧地下墙按原施工图施工，未预留玻璃纤维筋和柔性接头。这对于远期线路穿越地下墙的施工造成了困难。因此设计对此进行了相应的研究，并提出以下两套方案进行比选：

方案一：远期车站端头井紧挨本站，盾构工筹按接收考虑以减小实施风险。在盾构接收前从远期车站内侧将洞门凿除。洞门外侧即本期车站坑底一侧的土体需要在本期实施车站基坑围护结构实施时进行旋喷加固，加固的深度需要覆盖洞圈，以确保洞门打开时土体的稳定，以控制车站结构变形，避免施工风险。

该方案的优点是对现有车站设计方案、施工工期、造价影响较小，但是会较大程度上限制远期车站的布置。

方案二：由于目前为止本站基坑尚未开挖，有条件在现有的已施工的钢筋混凝土地下墙外侧重新布置预留玻璃纤维筋和柔性接头的地下墙，然后采用回旋钻机将已施工的钢筋混凝土地下墙清除。该方法对远期车站的布置影响小，未来实施的代价也较小，但是会增加现有车站施工工期、费用、施工难度。

经过以上分析，权衡方案一和方案二对现有车站和未来实施车站的利弊后，最终选择方案一来解决远期隧道穿越已实施的钢筋混凝土地下墙的问题。

3.3 坑底土体加固

由于洞口从外向里凿除时，背后一侧车站坑底下方土体有失稳的风险；在掘进过程中，既有车站底板以下的土体会产生变形，影响车站的安全运营。基于以上考虑，需要对预留范围内坑底以下土体进行加固。

通过对国内外不同土体加固方法的调研，决定采用旋喷桩对坑底以下土体进行加固。此处需要对洞门凿除工况土体稳定和强度进行计算[1,2]。

3.3.1滑移稳定计算

在地墙洞圈凿除工况，墙后的土体在其自重作用下，可能沿某滑动面向洞内产生滑动。将产生滑动的各力对滑动中心取矩，得到滑动力矩Ms的计算公式为：

Ms=Ms1+Ms2

(1)

其中，Ms1为上覆土体自重引起的下滑力矩，计算公式如下：

(2)

Ms2为圆弧滑动面内土体自重引起的下滑力矩，计算公式如下：

(3)

式中：γ——土体重度；

H——上方土体高度；

D——洞圈直径。

抵抗土体滑动的力由滑动面上土体的抗剪强度和加固体的抗剪强度组成。抵抗力矩简化计算公式如下：

(4)

式中：γ——土体重度；

c——未加固土体的粘聚力;

Cu——加固土体的粘聚力；

θ——加固区厚度对应的角度。

考虑一定安全系数的滑移稳定条件为：

Mr≥K0·Ms

(5)

将式(1)，式(3)代入式(5)，求出加固区厚度对应的角度θ后，可以按式(6)求得加固区厚度t：

t=D·sinθ

(6)

根据滑移稳定计算要求，墙后加固土体厚度至少需要2.1 m。

3.3.2强度计算

对于加固土体的受弯，一般是采用弹性力学薄板模型，将加固土体看作是周边简支的弹性薄板，受土压和水压作用。板中心的最大弯曲应力验算：

式中：μ——泊松比；

po——土压和水压作用;

Cu——加固土体的粘聚力；

θ——加固区厚度对应的角度；

σt——加固土体的极限抗拉度。

板边缘最大剪应力验算：

其中，τt为加固土体的极限抗剪强度。

根据验算结果，满足抗弯强度的加固区厚度至少为3.01 m，满足抗剪强度的加固区厚度至少为1.10 m。

根据该计算结果，坑底加固方案如下：坑底采用旋喷桩加固，28 d龄期无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。离地墙3.5 m范围以内土体加固深度为10.5 m(范围覆盖洞圈四周3 m的土体)，坑底预留范围内其余部分加固深度为4 m。

3.4 底板设置工程桩

由于远期线路盾构区间在坑底掘进时，坑底土体承载力有一定的损失，为了确保结构安全，满足运营所需的沉降控制要求，需要增加工程桩来承受车站主体荷载作用，因此在坑底增设钻孔灌注桩。灌注桩的承载力需要能承受隧道范围内的车站荷载。

根据上述原则进行抗压承载力验算，确定增设工程桩具体方案如下：在底板下预留隧道两侧各设置一排钻孔灌注桩共计12根，桩径1 000 mm，桩长37 m，桩端进入⑤1粉砂夹粉质粘土3 m。灌注桩距离预留隧道净距2.3 m,见图3。

4 结论和建议

根据线网规划，本站从以下几个方面对远期盾构下穿条件进行了预留：1)为了确保远期线路施工期间本车站的结构安全，满足运营所需的沉降控制要求，充分考虑远期线路在坑底盾构施工期间，坑底土体承载力的减弱带来的影响，在底板以下设置工程桩，通过工程桩承受穿越范围内车站局部的荷载；并对坑底土体进行了加固，通过坑底土体加固控制变形。2)在下穿范围内的地下墙中预留玻璃纤维筋，采用柔性接头，以便于远期盾构穿越。对于由于设计方案调整的滞后，现场未及时预留的钢筋混凝土地下墙，设计提供了相应的解决方案，对远期车站的布置提出了相应的要求。

参考文献：

[1] 吴秀国.软弱地质条件下盾构进出洞技术的研究[D].南京：华南理工大学硕士学位论文，2012.

[2] 孙 谋.盾构隧道进出洞土体颗粒渐进破坏模式分析及加固精细化研究[D].北京：北京交通大学博士学位论文，2011.