多跨大空间地铁车站暗挖施工方案比选研究*

杜 欣

(中铁十六局集团有限公司， 100018， 北京∥高级工程师)

在繁华市中心修建地铁线路，越来越多地出现上跨、下穿既有地铁或管廊结构现象，尤其是与既有地铁车站衔接的换乘车站的施工，具有空间规模大、结构跨度大、深埋、围护支护复杂且对周边环境影响大的特点，其设计和施工难度很大。本文以北京地铁16号线二里沟站这个新建地铁的换乘车站为例，阐述大空间地铁车站暗挖施工方案的有关比选。

1 北京地铁16号线二里沟站工程概况

1.1 工程设计情况

北京地铁16号线二里沟站位于三里河路和车公庄大街交叉口，与既有6号线二里沟站成“十”字换乘(见图1)。6号线二里沟站为单层暗挖分离侧式站台车站，车站埋深 27.93 m，车站覆土17.56 m。16号线二里沟站车站两端采用两层三柱四跨暗挖结构，车站中部上跨6号线车站段采用单层双跨暗挖结构，如图2所示。16号线二里沟站车站全长303 m，车站两端主体双层三柱四跨暗挖段断面高18.36 m，宽 29.40 m，覆土深度 8.90 m，采用小导管超前注浆加固和洞桩(PBA)法施工。

该车站设置了4个施工竖井，总建筑面积约为3.9万m2,目前是全国在建的最大暗挖车站。车站主体采用单层导洞PBA法施工。设置了5个出入口、4组风亭,2座冷却塔。其中东南象限风道及出入口与百万庄棚户区改造一体化建设。

1.2 地质条件

16号线二里沟站主要处于⑤层卵石，⑥层粉质黏土，⑦层卵石和⑧层粉质黏土。其中最大粒径不小于300 mm ，一般粒径为20～60 mm。土层中粒径大于20 mm的颗粒占总质量的60%，以亚圆形，中粗砂填充。车站顶部以上为粉细砂层。含水层主要为⑨层卵石。2011年7月勘察到的水位标高为19.60 m，水位埋深为32.18 m。其地质情况见图3。

1.3 施工特点分析

由于工程项目周边环境复杂，制约施工因素多，加上地质条件特殊、车站结构宽度大、主体结构与附属结构距离近，故施工工序复杂、施工风险高，给项目施工筹划带来了很大的困难。如：① 道路下方浅埋、多跨、大空间地铁车站暗挖施工的开挖步序复杂。工程施工面积大，采用暗挖技术挖掘的土方和占用的地下空间相较于一般车站要大。② 几乎是零间距距离上跨既有线，下穿热力管沟，变形控制难度大。③ 砂卵石地层洞内狭小空间大直径机械快速成桩技术难度大。④ 换乘车站需要新建的附属结构多，体量大，施工接口多，施工难度大。

图1 北京地铁16号线二里沟站平面图

注：地面标高为51.400 m; T为热力管沟。图2 北京地铁16号线二里沟站横断面示意图Fig.2 Schematic diagram of lateral section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

注：图中数字皆为标高，单位为m。图3 北京地铁16号线二里沟站中间段地质剖面图Fig.3 Geological section of the middle section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

2 主体结构施工方案选择

2.1 明挖+暗挖方案

原施工方案中车站主体采用两端明挖，中间暗挖的方案[1-2]。围护采用φ1 000 mm @ 1 500 mm的钻孔灌注桩，内支撑采用φ609 mm，厚14 mm的钢管支撑[3]，竖向设4道。北京地铁16号线二里沟站原设计剖面示意图如图4所示。

2.2 优化后的全暗挖方案

在深入细致做好调查、研究的基础上，超前对各种施工方案进行比较、优化，对各附属结构统一优化规划，具体如表1所示。

2.3 PBA法比选

在确定选用暗施工挖工艺后，对单层导洞PBA法和双层导洞PBA法施工进行比选。两种施工方法的施工工况对比如表2所示。

由表2可知，相较于原设计方案，优化后的方案采用单层导洞PBA法，主体结构全部采用暗挖能节省成本、缩短工期。

该车站两端两层三柱四跨暗挖段的开挖断面为18.36 m×29.40 m(宽×高)，采用PBA法施工。

注：标高以m计，其它尺寸以mm计。图4 北京地铁16号线二里沟站原设计剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of original design section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

表1 附属结构优化方案Tab.1 Optimization scheme of ancillary structure

表2 单层导洞PBA法与双层导洞PBA法施工工况对比Tab.2 Construction conditions comparison between single-layer and double-layer pilot tunnel PBA methods

一般地层采用φ42 mm、长3 250 mm的小导管超前预注浆加固，卵石地层采用φ25 mm、长275 mm的小导管超前预注浆加固，局部采用双排小导管注浆加固[6]。

注浆浆液在中砂、粉细砂地层采用改性水玻璃，其余情况采用水泥-水玻璃浆液注浆[7]。边桩采用φ1 000 mm～φ1 600 mm机械成孔桩，中桩采用人工挖孔+机械成孔φ1 000钢管柱。

3 PBA法单层导洞施工开挖顺序研究

3.1 导洞可行开挖方案

PBA法施工步序在横通道内进行导洞施工，导洞采用台阶法施工[8]，小导管超前注浆加固土体，C20喷射混凝土支护。从西往东小导洞依次编号为1#、2#、3#、4#、5#导洞(见图5)。为规避5#导洞周边待迁改的大直径给排水管线风险，尽量安排5#导洞滞后开挖。

3.2 不同导洞开挖方案对地表变形影响分析

相邻导洞纵向开挖间隔为15 m，非相邻导洞纵向开挖间隔为6 m。通过使用MIDAS-GTS数值分析软件对导洞的3种先后开挖顺序进行模拟分析，重点分析导洞开挖顺序对地表沉降的影响。按车站导洞开挖后对地表沉降的影响来选择最合理的开挖顺序[9]。

图5 小导洞开挖图Fig.5 Diagram of small pilot tunnel excavation

不同导洞开挖方案对地表变形影响的仿真计算结果提取见表3。

表3 不同导洞开挖方案对地表变形影响的仿真计算结果Tab.3 Simulation calculation results of various pilot tunnel excavation schemes influencing ground surface deformation

通过对3种不同导洞开挖顺序的数值模拟对比，可以发现是否及时支护对掌子面的稳定性影响较大。当使用超前预注浆加固时，施工引起的拱顶沉降和地表沉降明显减小。通过3种不同导洞开挖顺序过程比较，对于软弱地层，通过小导管超前注浆，可以加固地层，控制施工沉降，对维护掌子面稳定和保障施工安全具有重要意义。导洞从中间开挖，然后间隔开挖导洞可以使其对地表的沉降影响最小，因此，应选择方案C的开挖方式。

4 初期支护扣拱顺序变化对地层变形影响

4.1 初期支护扣拱顺序可行方案

在导洞背后回填完成后，沿初期支护扣拱轮廓上方，在横通道墙壁进行超前预注浆加固地层施工。超前预注浆加固地层施工完成后进行初期支护扣拱的开挖支护。施工步序为：施作超前小导管→马头门开口→开挖土方→架立拱部格栅→预埋背后注浆管→喷射混凝土→拱顶初期支护回填注浆[10]。

初期支护扣拱开挖顺序如图6所示，可分为2个方案：方案①按照先两边后中间的原则扣拱，扣拱顺序为Ⅰ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅲ；方案②按照先中间后两边的原则扣拱，扣拱顺序为Ⅱ→Ⅳ→Ⅰ→Ⅲ。

图6 初期支护扣拱开挖顺序示意图

4.2 数值模拟结果分析

PBA法施工过程中，初期支护扣拱是影响地表沉降的1个重要因素[11]。通过MIDAS数值模拟软件对三柱四跨五导洞的4个扣拱进行模拟，比较两种不同的扣拱顺序方案对地表沉降的影响(见表4、图7)，得出扣拱从外到内对地表的沉降影响为最小，因此，应选择方案①。

表4 两种扣拱顺序方案的最大沉降对比表Tab.4 Comparison of maximum settlement between two buckle arch sequence schemes

图7 初期支护扣拱开挖地表沉降图Fig.7 Ground surface settlement diagram of initial support buckle arch excavation

5 结论

1) 地铁车站采用非PBA法施工时，开挖边导洞和中导洞时，最大地表沉降均发生在导洞中线处。中导洞开挖时，下导洞拱顶沉降较大；导洞开挖时，初期支护应尽快封闭成环，以减少地层沉降。在拱扣施工阶段，最大地表沉降发生在拱扣中心线处。

2) 最大地表沉降位置随3个阶段的施工顺序不断变化。施工中地表沉降监测应按上述规律在地表布设测点。

3) 3个阶段中，扣拱施工阶段拱扣处的地表沉降值最大，PBA法施工对地表沉降起到了控制作用。

4) 跨越既有地铁车站施工时，应对既有地铁车站结构及轨道进行监测，特别是对受影响区段范围内地铁结构宽度大于0.3 mm的裂缝及相关病害应加强监测。