复杂环境下大跨地铁风道结构建造方案研究刘雪峰1，马 宁1，宋少奇1， 胡少斌1，李增光2 (1.北京城乡建设集团有限责任公司，北京 100079；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044) 摘 要：采用PBA工法建造的大跨地铁风道结构施工顺序主要有逆作法和顺作法两种方法。为克服传统PBA工法存在的问题，以北京地铁8号线三期工程大红门桥站-和义站区间附属大跨风道为背景，提出一种风道负1层和负2层分别顺作的施工方案，并采用三维数值模拟方法，对风道结构不同施工方案进行研究。针对风道拱部的中导洞开挖跨度大、地层沉降控制难度大的特点，提出一种联合支护结构。工程实践表明：负1层和负2层分别顺作的结构施工方案更有利于地层沉降控制及结构安全，联合支护结构有效控制了大跨中导洞开挖引发的地层沉降，确保周边环境安全和结构自身安全。 关键词：地铁；大跨风道；PBA工法；结构施工方案；拱部中导洞；联合支护结构 1 概述洞桩法(PBA工法)由桩、梁、拱共同构成的框架体系来承受后续施工过程的荷载，在该框架体系的保护下逐层开挖内部土体，以减少主体部分土体的开挖对周围地层的扰动，具有施工安全性好、临时支撑较少、工程造价相对较低和工期相对较短等优点，近年来在北京地铁的建设中得到广泛应用[1-6]。相关文献对导洞开挖顺序、扣拱方案等进行了深入的讨论。而本文研究的北京地铁8号线三期工程大红门桥站—和义站区间附属风道为单跨双层风道结构，单跨开挖跨度达到16.2 m，为国内目前单跨跨度最大的风道结构，且风道位于南苑路正下方，地面交通量大，拱顶覆土只有7.3 m左右，风道下穿众多市政管线，且距风道结构较近，距离拱顶最小距离2.46 m，管线修建年代较久，可能存在渗漏，对地层变形控制要求严格。由于地表不具备降水条件，主要依靠洞内注浆堵水。在风道施工过程中，若地层沉降过大由此诱发的次生灾害可能导致风道上方的市政管线破裂以及道路塌陷。 综上所述，本工程具有“单跨跨度大、环境条件复杂、地层为饱水砂层和卵石层、沉降控制难度大”的特点，因此需要根据工程特点对双层风道结构施工顺序以及风道扣拱的支护结构等进行探讨。 2 采用PBA工法建造风道施工方案分析风道位于南苑路下方，采用洞桩法暗挖施工，共分4个导洞，上层和下层各2个，以风道端头的竖井作为施工通道，导洞采用台阶法开挖，初期支护主要采用格栅钢架+超前小导管+锁脚锚管+钢筋网+C25喷射混凝土的支护形式。上层小导洞拱顶位于卵石③层，下层导洞拱顶位于卵石⑤层，风道底板位于粉细砂⑤1层。风道平面及断面分别见图1、图2。  图1 风道结构平面(单位：m)  图2 风道结构断面(单位：m) 目前采用洞桩法建造地铁风道结构时，常规的施工方案有完全顺作法和完全逆作法两种[7-12]。 完全顺作法：先完成中洞拱部的开挖及初期支护，然后自上而下开挖土方至结构底板，再自下而上完成底板、负2层侧墙、中板以及负1层侧墙的结构浇筑。 完全逆作法：先完成中洞拱部的开挖及初期支护，然后浇筑拱部二衬结构，再自上而下开挖负1层土方，浇筑负1层侧墙及中板，然后自中板位置向下分层开挖土方、架设支撑、土方开挖至基坑底部后，浇筑负2层侧墙及底板。 采用完全顺作法的优点是：施工方便，结构防水连续。缺点是：在施工阶段，中洞拱部初期支护结构承担全部外荷载，不利于初期支护的稳定。 采用完全逆作法的优点是：拱部初期支护和二次衬砌共同承受荷载，有利于拱部初期支护的稳定。缺点是：随着土方的开挖，拱部二衬结构承受的荷载处在不断调整和变化中，可能导致二衬结构开裂，不利于结构的防水及耐久性，另外一个缺点是：二衬拱脚施工时，拱脚钢筋与边导洞围护桩甩出的钢筋要连接，导致在拱脚处的防水板不能连续铺设，拱脚防水不连续，不利于结构的防水。 3 风道负1层和负2层结构分别顺作的建造方案为解决完全顺作和完全逆作所带来的问题，以本工程为背景，提出了一种新的洞桩法施工方案(图3)，即：风道负1层和负2层结构分别顺作，具体实施方案如下。 (1)导洞施工完成后，后退施作下导洞内桩下条基。在上层导洞中施作边桩及桩顶冠梁(人工挖孔桩隔孔施工，隔三挖一)，边桩外侧与导洞间采用C20混凝土回填。 (2)超前预注浆加固地层，“CD”法开挖拱部土体并施作拱部初期支护。依次开挖1、2洞室，1号洞室超前2号洞室8～10 m，洞室开挖时留核心土。上导洞初支与导洞间采用C20混凝土回填。 (3)开挖至第一层中板下，由下而上施作土模，施工侧墙、端墙防水层，浇筑侧墙、端墙、中板钢筋混凝土以及二衬扣拱。 (4)开挖至底板下，立即施作垫层(分段6 m左右)、底板防水层、底板、端墙侧墙防水层、保护层等，绑扎钢筋浇筑混凝土，待二衬结构达设计强度后，拆除满堂脚手架等。  图3 风道负1层和负2层结构分别顺作施工步序 本工程的施工实践表明：这种负1层和负2层分别顺作的洞桩法施工方案可以避免全顺作和全逆作的缺点，同时，又保留了全顺作法和全逆作法的各自优点。 4 风道负1层和负2层结构分别顺作施工力学机理分析采用三维数值模拟分析方法对新的方案施工力学机理进行分析，并与传统的洞桩法施工方案的力学效应进行对比。 4.1 计算模型 采用有限元程序MADIS-GTS建立风道三维数值模型，模型边界范围为：以风道横剖面为x方向，取110 m；以风道纵剖面为y方向，取60 m；以地铁风道的开挖深度方向为z方向，取80 m。采用Mohr-Coulomb屈服准则。初期支护采用理想线弹性模型，边桩根据刚度等效原则等效成连续墙，模型网格剖分如图4所示。  图4 计算模型 采用位移边界条件，模型侧面边界施加x和y方向的位移约束；模型底部边界施加z方向的位移约束；上表面为自由边界。不考虑地下水与构造应力的影响，假定各土层均为均质分布。 地层物理力学参数见表1。 扩挖断面拱部注浆加固模拟是通过提高加固范围 表1 地层及支护结构物理力学参数  材料弹性模量/MPa泊松比重度/(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)杂填土150.321749粉质黏土190.32191921粉细砂600.2820028卵石1000.2321038粉细砂900.2720030粉土460.29202721卵石960.2320036粉质黏土440.29202918粉细砂900.2720030砂卵石800.2320036初期支护250000.2023——二衬325000.2025—— 内土体参数的等效方法来实现[13-16]，加固体压缩模量60.0 MPa，泊松比0.30，密度2.15 kg/m3，黏聚力50.0 kPa，内摩擦角35°。 4.2 计算结果分析 为验证计算模型的正确性，考虑到目前4个导洞已经开挖结束，选取风道结构中部断面作为分析断面，将导洞开挖结束后的地层沉降数值模拟计算结果和实测结果进行对比(图5)。  图5 风道中部主断面数值模拟结果与实测值对比 计算结果表明：地层沉降数值模拟计算结果和实测结果分布规律基本一致，实测地表最大沉降为41.31 mm，计算值为43.4 mm，数值模拟结果与实测数据有很好的吻合性，因此用该模型来开展风道主体结构施工方案研究和地表沉降预测是合理的。 为避免边界效应对计算结果的影响，选取风道结构中间断面的计算结果作为分析依据。风道结构的3种施工方案引起的地层沉降计算结果见图6。  图6 3种方案的地层沉降计算结果 3种方案最终地表沉降最大值分别是：完全逆作方案59.4 mm，完全顺作方案73.0 mm，负1层和负2层分别顺作方案71.7 mm，从地层沉降分布来看，完全逆作法在控制地表沉降方面具有一定优势。而完全顺作法和负1层、负2层分别顺作法的地层沉降计算结果较接近。考虑到完全逆作法和完全顺作法在结构防水、结构安全性等方面存在明显不足，经会同设计综合分析，确定本工程的风道结构采用：负1层和负2层分别顺作的施工方案。 5 中洞拱部开挖阶段的联合支护结构方案图5表明：在导洞开挖阶段，地层已经产生了较大沉降，最大沉降值为41 mm左右。这就给后续工序的地层沉降控制带来了很大困难，工程实践表明：中洞拱部开挖(扣拱)引起的地层沉降大约占总沉降的50%左右。因此，本工程在后续的中洞拱部开挖中，必须对原设计的支护形式和支护参数进行调整。为此，提出了在中洞开挖阶段采用由“拱部超前注浆加固、拱部初期支护、临时仰拱、临时中隔墙和两侧导洞的临时竖向支撑”构成的联合支护结构体系。其目的在于通过设置在导洞内的竖向支撑和中洞内的中隔墙来降低中洞跨度，减少中洞的跨中弯矩，控制中洞拱部的地层沉降以及拱部初期支护变形，如图7所示。具体实施方案如下。 (1)在完成侧导洞开挖、侧导洞内的边桩施作后，在两侧导洞内架设竖向型钢支撑，并通过横向支撑与侧导洞初期支护连接，确保竖向型钢支撑的稳定性。 (2)中洞分为左、右两部分开挖。先开挖中洞左侧部分土体，开挖前对拱部地层进行超前注浆加固，施作拱部初期支护、然后采用短台阶法开挖，每次开挖步距不大于0.75 m。中洞左侧部分一直开挖到与侧洞底板初期支护位置持平，施作仰拱、中隔墙，中隔墙和仰拱可采用格栅喷射混凝土结构。中隔墙与拱部初期支护和临时仰拱进行有效连接，仰拱与侧导洞的底板初期支护连接。 (3)按上述步骤，进行中洞右侧土体的开挖与支护体系施作，中洞右侧部分的开挖滞后左侧10 m左右。这样拱部的荷载由顶拱、边桩、导洞内的竖向支撑和临时中隔墙共同承担。  图7 风道拱部联合支护结构实施方案 大跨度中洞的支护体系由“拱部超前注浆加固、拱部初期支护、仰拱、中隔墙和两侧导洞内的竖向支撑”构成，中洞拱部的荷载不再只有两侧导洞内边桩单独承担。中洞内的中隔墙和侧洞内的竖向支撑能够承担一部分中洞拱部传来的荷载，并将荷载传递到中洞仰拱和侧洞底板，同时也减小了中洞跨度，降低了中洞的跨中弯矩。不但有利于控制中洞开挖引起的地层变形，而且也有利于中洞拱部初期支护的稳定。 6 结论根据本工程单跨跨度大、环境条件复杂及地层沉降控制难度大的特点，对PBA工法建造双层地铁风道的扣拱方案和风道结构建造工序进行了探讨，得到以下结论。 (1)分析传统PBA工法存在的问题，提出一种风道负1层和负2层分别顺作的施工方案。 (2)工程实践表明：负1层和负2层分别顺作的洞桩法施工方案可以避免全顺作法和全逆作法的缺点，同时，又保留了全顺作法和全逆作法的各自优点。 (3)针对风道拱部开挖跨度大、地层沉降控制难度大的特点，提出了在中洞开挖阶段采用由“拱部超前注浆加固、拱部初期支护、临时仰拱、临时中隔墙和两侧导洞的临时竖向支撑”构成的联合支护结构体系。其目的在于通过设置在导洞内的竖向支撑和中洞内的中隔墙来降低中洞跨度，减少中洞的跨中弯矩，控制中洞拱部的地层沉降以及拱部初期支护变形。工程实践表明：这种联合支护结构体系有效地控制了大跨中导洞开挖引起的地层沉降，确保了周边环境安全和结构自身安全。 参考文献： [1] 白纪军.宣武门地铁车站群洞施工技术及沉降分析[J].铁道建筑，2007(4):42-45. 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A study on Construction Scheme of Large Span Subway Duct Structure under Complex Environment LIU Xue-feng1， MA Ning1， SONG Shao-qi1， HU Shao-bin1， LI Zeng-guang2 (1.Beijing Urban and Rural Construction Group Co.， Ltd.， Beijing 100079， China; 2.School of Civil and Architecture engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China) Abstract：The “top-down” and “down-top” methods are the two main construction methods used for subway duct structure. The subsidiary subway duct of Dahongmenqiao-Heyi interval tunnel of Beijing metro line 8 is taken as the research background to solve the existing problems involved in traditional PBA (Pile-Beam-Arc) construction method. A new construction method is proposed， which suggests that the first layer and the second layer of the subway duct are constructed with the “down-top” method. The different construction methods of subway duct are analyzed with 3-D numerical simulation. In view of the difficulties in controlling the strata subsidence and the characteristics of large-span excavation， a new combination supporting structure is proposed. The engineering practice indicates that the new construction method can effectively control the surface subsidence and the combination supporting structure can effectively control the strata subsidence resulted from the large-span middle pilot tunnel excavation． Key words：Subway; Large span duct; construction method; Structure construction scheme; Middle pilot tunnel of arch; Combination supporting structure 收稿日期：2016-06-11； 修回日期：2016-06-18 基金项目：北京城乡建设集团有限责任公司科技研究开发计划项目(2015-01) 作者简介：刘雪峰(1979—)，男，助理工程师，2005年毕业于河北工程学院土木工程专业，主要从事城市轨道交通施工技术研究及管理工作，E-mail:2590034408@qq.com。 文章编号：1004-2954(2017)02-0073-05 中图分类号：U231+.3 文献标识码：A DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.02.017 |
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