北京地鐵結(jié)構(gòu)自身近接工程的設(shè)計(jì)思考

劉清文

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

近年來(lái)，隨著北京城市化進(jìn)程的加快，為緩解交通壓力，地鐵工程在加速建設(shè)，地鐵線網(wǎng)規(guī)模及密度不斷擴(kuò)大、加強(qiáng)。根據(jù)北京市總體規(guī)劃，北京市要在2020年前初步建成以公共交通為主體、軌道交通為骨干、多種運(yùn)輸方式相協(xié)調(diào)的綜合客運(yùn)交通體系。

北京地鐵土建工程近年來(lái)呈現(xiàn)的特點(diǎn)有:線路的交叉、換乘在地鐵設(shè)計(jì)中已較為常見(jiàn);受城市復(fù)雜環(huán)境影響，地鐵結(jié)構(gòu)相互間近接在市區(qū)日益常見(jiàn);受場(chǎng)地等因素影響，結(jié)構(gòu)工程很多需要分期、分段建設(shè);工期、拆遷等因素導(dǎo)致的工法調(diào)整、新增工程明顯增多。以上特點(diǎn)造成地鐵建設(shè)不僅需要考慮既有工程，還需考慮近期待建和遠(yuǎn)期規(guī)劃工程;同時(shí)自身建設(shè)過(guò)程中也存在先后建設(shè)等情況。剔除地鐵建設(shè)對(duì)建(構(gòu))筑物、管線等周邊環(huán)境的影響，地鐵結(jié)構(gòu)自身近接的情況日益復(fù)雜，已上升為土建設(shè)計(jì)中非常重要的內(nèi)容，關(guān)系到規(guī)劃線網(wǎng)的落地實(shí)施、運(yùn)營(yíng)安全和后期風(fēng)險(xiǎn)，成為體現(xiàn)設(shè)計(jì)施工水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 近接工程分類

根據(jù)工程建設(shè)的時(shí)間關(guān)系，地鐵結(jié)構(gòu)自身近接工程可分為4類，如圖1所示。

圖1 地鐵自身近接工程分類

Ⅰ類近接工程中的既有工程為已知設(shè)計(jì)輸入條件，新建工程需避免或減小對(duì)既有工程的影響，滿足既有工程的使用要求。如6號(hào)線礦山法區(qū)間下穿既有2號(hào)線車公莊站和既有5號(hào)線東四站、6號(hào)線礦山法區(qū)間下穿4號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間、16號(hào)線明挖地下3層豐臺(tái)南路站平行近貼9號(hào)線明挖地下2層豐臺(tái)南路站、8號(hào)線暗挖車站上跨6號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間等都是此類案例。

Ⅱ類近接工程中的待建工程為已穩(wěn)定線路方案近期開(kāi)建工程，屬于已知的設(shè)計(jì)輸入條件，新建工程需要采取適當(dāng)措施避免或減小待建工程對(duì)其影響，并給待建工程創(chuàng)造必要的臨近施工條件，考慮變化調(diào)整可能，新建工程應(yīng)以盡量少的共建和預(yù)留條件為主。如待建16號(hào)線礦山法區(qū)間平行斜下穿9號(hào)線礦山法區(qū)間、待建12號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿10號(hào)線十里河站、待建3號(hào)線平行臨近6號(hào)線東四站等是此類案例。

Ⅲ類近接工程中的規(guī)劃工程為遠(yuǎn)期線，近幾年線網(wǎng)頻繁加密調(diào)整，新建工程需考慮規(guī)劃線路的可能走向，預(yù)留遠(yuǎn)期條件。前期研究的四環(huán)線、北三環(huán)線、9號(hào)線北延、昌平線南延等屬于規(guī)劃研究線，新建工程宜考慮規(guī)劃工程的存在，預(yù)留可實(shí)施條件，主要工程措施在后實(shí)施工程中采取，以避免規(guī)劃調(diào)整造成不必要的浪費(fèi)。如15號(hào)線安立路站與規(guī)劃安立路車站的關(guān)系、15號(hào)線北沙灘站與規(guī)劃昌平線南延的關(guān)系、8號(hào)線三期大紅門橋站同規(guī)劃四環(huán)線的關(guān)系等。

Ⅳ類近接工程是指新建工程在實(shí)施過(guò)程中受交通導(dǎo)改、管線、地質(zhì)、工期、工法等影響，存在先后實(shí)施問(wèn)題，此類工程為同步設(shè)計(jì)情形，需要對(duì)相互影響進(jìn)行詳細(xì)論證，采取的工程措施需視實(shí)施難度、保護(hù)效果、工程費(fèi)用等進(jìn)行綜合比選。如車站結(jié)構(gòu)分期實(shí)施(包括主體分幅實(shí)施、先實(shí)施附屬后實(shí)施主體、先實(shí)施主體后實(shí)施附屬)、區(qū)間臨近先后實(shí)施(包括近距離平行、疊落盾構(gòu)或礦山法隧道)、已實(shí)施結(jié)構(gòu)上方或下方后實(shí)施新增結(jié)構(gòu)等。

2 設(shè)計(jì)思路

地鐵結(jié)構(gòu)自身近接工程通常為全線土建控制工程，可行與否涉及線路、建筑等上游專業(yè)，甚至關(guān)系到線站位的可實(shí)施性，影響重大。因此，對(duì)其研究應(yīng)貫穿工程設(shè)計(jì)的全過(guò)程，并在前期階段加大研究深度。在不同設(shè)計(jì)階段，近接工程的設(shè)計(jì)思路如圖2～圖4所示。

圖2 可行性研究階段設(shè)計(jì)流程

圖3 初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)流程

3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

通過(guò)以上思路梳理，兩近接工程的時(shí)間和空間關(guān)系是設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，即近接工程的方案穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的前提，特別對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類近接工程較為重要。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)細(xì)化近接方案，找出制約因素，深化研究。

圖4 施工設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)流程

3.1 方案穩(wěn)定性判別

穩(wěn)定性判別是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)應(yīng)于流程圖中擬定兩工程的近接方案。Ⅰ類中的既有工程是已知常量，新建工程的穩(wěn)定是此類工程的關(guān)鍵;Ⅱ類中的新建工程和近期待建工程均是需要穩(wěn)定的對(duì)象，在穩(wěn)定自身方案的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)可能的近接形式進(jìn)行深化研究;Ⅲ類中的規(guī)劃工程在走向確定的情況下，圍繞新建工程的穩(wěn)定方案，選擇合理線站位，新建工程在此類中是重點(diǎn);Ⅳ類中的穩(wěn)定對(duì)象同Ⅰ類，均為新建工程自身。

方案穩(wěn)定的研究，對(duì)于遠(yuǎn)期規(guī)劃工程，需對(duì)近接工程臨近區(qū)間及站點(diǎn)(一般為3站2區(qū)間)進(jìn)行專題研究，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展近接方案設(shè)計(jì)。在穩(wěn)定性判別時(shí)，不妨假設(shè)新建工程或近接工程的可行方案為函數(shù)y，方案穩(wěn)定性判別就是求解方程的過(guò)程，如下

式中:a1、a2……an為設(shè)定的權(quán)重系數(shù)，x1、x2……xn為考慮的因素，包括線路因素(曲線、坡度等)、環(huán)境(既有和規(guī)劃的建構(gòu)筑物、地下管線、地面交通、地質(zhì)與水文地質(zhì))、建筑(換乘、消防等)、結(jié)構(gòu)(工法、受力、施工工藝、工程籌劃等)、運(yùn)營(yíng)、工程造價(jià)等。xi需有解，每個(gè)解的值設(shè)定在(0～1］，0代表方案不可行，1代表方案最優(yōu)，0～1之間的數(shù)值代表其中某個(gè)可行的方案取值。

方案穩(wěn)定性判別時(shí)設(shè)置的權(quán)重、因素應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的不同階段區(qū)別對(duì)待，例如在可行性研究階段，線路因素、環(huán)境因素是重點(diǎn);而在施工設(shè)計(jì)階段，由于重大控制因素已穩(wěn)定，建筑結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)因素就會(huì)變得越來(lái)越重要。權(quán)重系數(shù)根據(jù)總體技術(shù)要求，結(jié)合工程特點(diǎn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選定?？紤]的因素需根據(jù)設(shè)計(jì)階段選定，由可行性研究至施工設(shè)計(jì)階段，因素選取應(yīng)由大到小、由部分到細(xì)節(jié)，每個(gè)因素的取值也可按式(1)的形式進(jìn)行細(xì)化求解。

對(duì)于不同的可行方案，最終求取的ymax即為最優(yōu)方案。

3.2 找出決定方案的細(xì)節(jié)

地鐵工程的近接關(guān)系組合如圖5所示，理論上近接關(guān)系有60種，設(shè)計(jì)碰到的情況有50多種，再加上明挖車站施工存在明挖順作法、蓋挖順作法和蓋挖逆作法三種工法，礦山法車站施工存在PBA工法、CRD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、分部開(kāi)挖法、頂緊法等多種形式，這樣以工法劃分的近接方案有百余種。

圖5 近接關(guān)系組合示意

如此眾多的可行近接方案，選擇時(shí)應(yīng)以既滿足功能需求又相互影響較小為原則。Ⅰ類工程重點(diǎn)控制既有線的沉降(上浮)、差異沉降變形，以有利于控制變形并盡可能實(shí)現(xiàn)其他功能的工法為首選，例如區(qū)間下穿既有車站近接方案(見(jiàn)圖6)，盾構(gòu)法與礦山法的選擇關(guān)鍵在于兩端車站是否能提供盾構(gòu)施工條件，礦山法中頂緊工法與CD工法的選擇關(guān)鍵則集中在區(qū)間與既有站的凈距h的確定問(wèn)題;Ⅱ、Ⅲ類歸結(jié)起來(lái)也是將來(lái)的新建工程下穿既有線的問(wèn)題，在滿足新線方案合理的基礎(chǔ)上盡量為待建和規(guī)劃工程預(yù)留較好的實(shí)施條件;Ⅳ類近接工程首先應(yīng)滿足自身的功能需求，并盡量減少影響范圍和降低影響程度，如圖7、圖8，6號(hào)線南東盾構(gòu)疊落區(qū)間，確定為先施工下方隧道后施工上方隧道，為減少上方盾構(gòu)施工影響，出站后盡量拉大兩線的豎向距離，在滿足最小曲線半徑的基礎(chǔ)上，平面掰開(kāi)后兩線高程再走平。

3.3 內(nèi)力分析和變形預(yù)測(cè)

圖6 區(qū)間下穿既有車站近接方案

圖7 區(qū)間盾構(gòu)疊落段平面

圖8 區(qū)間盾構(gòu)疊落段縱斷面

近接工程結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，相互影響大，需要進(jìn)行內(nèi)力分析和變形預(yù)測(cè)，并反饋修正設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)受力滿足承載力要求、變形滿足控制值要求。

計(jì)算分析是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是必要但非充分條件。計(jì)算分析應(yīng)首先根據(jù)近接工程兩者的相互關(guān)系、修建時(shí)序、施工工法、施工步序，選定基本的不利工況，確立二維、三維簡(jiǎn)化模型，模擬分析。

3.3.1 基礎(chǔ)資料收集整理

計(jì)算前需要收集計(jì)算所需的基本資料，包括既有結(jié)構(gòu)竣工資料、現(xiàn)狀檢測(cè)報(bào)告、新建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料(包括結(jié)構(gòu)平剖面、施工步序、輔助工程措施及參數(shù)指標(biāo))、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料、既有工程和新建工程設(shè)計(jì)依據(jù)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)分析通常根據(jù)地下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用荷載結(jié)構(gòu)模型、地層結(jié)構(gòu)模型，對(duì)近接工程進(jìn)行二維或三維計(jì)算，計(jì)算步驟為建立模型→加載→求解→結(jié)果分析。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)既有結(jié)構(gòu)及新建結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力驗(yàn)算。根據(jù)計(jì)算變形，找出結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)和不利位置，核實(shí)是否滿足變形控制要求。

3.3.3 計(jì)算反饋和修正設(shè)計(jì)

根據(jù)分析結(jié)論，優(yōu)化、調(diào)整近接工程方案，再進(jìn)行重新核算。通常存在個(gè)別工況內(nèi)力、變形較大，計(jì)算通不過(guò)的情況，則優(yōu)化該工況即可，以減小優(yōu)化的盲目性。例如，6號(hào)線南東區(qū)間左線盾構(gòu)井位于盾構(gòu)疊落段范圍，屬于Ⅳ類工程，為新增工程，盾構(gòu)井基坑平面尺寸為15.8 m ×12.4 m，深20.864 m，基坑支護(hù)采用鉆孔灌注樁加混凝土支撐(第1道支撐)和鋼管內(nèi)支撐(第2～4道)體系，本基坑距離已實(shí)施右線盾構(gòu)隧道1.024 m，如圖9所示。選取5種不利工況對(duì)右線盾構(gòu)隧道進(jìn)行計(jì)算分析，①左線盾構(gòu)始發(fā)井基坑開(kāi)挖到基底工況;②盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)施工完畢后工況;③左線盾構(gòu)機(jī)始發(fā)工況;④盾構(gòu)井封口回填覆土工況;⑤降水情況(降水至右線盾構(gòu)底以上1 m)。經(jīng)計(jì)算分析，工況①右線盾構(gòu)隧道上部荷載最小，側(cè)向壓力最大，受力最為不利，管片自身配筋不滿足要求，需要對(duì)本工況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，采取的應(yīng)對(duì)措施包括加深樁基入土深度、坑底加固以減小土體側(cè)壓力系數(shù)和增設(shè)管片環(huán)型鋼內(nèi)支撐，并預(yù)留出渣通道，保證不影響右線盾構(gòu)施工，采取措施后的計(jì)算管片彎矩如圖10所示，滿足右線管片實(shí)際配筋(φ25間距150 mm)的要求。

圖9 南東新增左線盾構(gòu)井圍護(hù)剖面

根據(jù)變形預(yù)測(cè)情況，得出每個(gè)工況產(chǎn)生的變形增量比例，從而利用給定的變形控制值，分配每個(gè)施工工況的變形控制指標(biāo)，做到分步控制與總體控制相結(jié)合。

3.4 做到施工簡(jiǎn)化、快速

任何理論分析都應(yīng)符合工程實(shí)施條件，脫離當(dāng)前施工技術(shù)水平、隊(duì)伍素質(zhì)、管理水平、設(shè)備狀況和施工質(zhì)量情況的近接工程方案，即使理論分析合理可行，施工也難以做到或做不到位，最終效果不會(huì)很理想。

圖10 增設(shè)內(nèi)部型鋼支撐后的管片彎矩

近接工程設(shè)計(jì)，一般需要做到以下幾點(diǎn):

1)充分發(fā)揮地層承載能力，盡量擴(kuò)大施工空間。近接工程周邊地層有原始地層和經(jīng)過(guò)預(yù)加固處理的地層，在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上要充分結(jié)合北京地質(zhì)特點(diǎn)以及地鐵工程施工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)成果，對(duì)導(dǎo)洞尺寸、支撐間距、襯砌分段長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行修正，為施工提供寬敞、舒適的作業(yè)環(huán)境。

2)充分吸收新工藝，減少轉(zhuǎn)換及過(guò)渡。過(guò)既有線早期的很多方案采用大管棚的措施，隨著千金頂頂緊工藝的成熟，不但可省去大管棚，還能做到零沉降，做到新建線路最大幅度的抬升，如圖11所示。隨著深孔注漿工藝的完善，注漿孔可采用束狀放射布置，對(duì)施工前方范圍的擴(kuò)大注漿可不采用擴(kuò)挖斷面即可完成，如圖12所示，即不需要早期斷面擴(kuò)挖過(guò)渡。

圖11 管棚方案優(yōu)化

3)簡(jiǎn)化步序，做到快施工、快封閉。快速施工和支護(hù)斷面閉合是非常重要的，有利于減少周邊土體松弛變形和擾動(dòng)范圍加大。斷面的及時(shí)閉合，能使結(jié)構(gòu)及早發(fā)揮承載能力。

圖12 注漿方案優(yōu)化

4 近接工程的實(shí)施

對(duì)于Ⅰ類工程，由于涉及既有線的運(yùn)營(yíng)，影響重大，應(yīng)制定嚴(yán)密的實(shí)施方案。包括:

1)實(shí)施前試驗(yàn)、測(cè)點(diǎn)布置等準(zhǔn)備工作要充分。對(duì)于注漿工藝要結(jié)合工程所處具體地層條件，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，包括一次注漿長(zhǎng)度、漿液配比、注漿漿液的擴(kuò)散半徑、鉆孔布置、注漿效果等都需要實(shí)際驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。測(cè)點(diǎn)布設(shè)包括既有結(jié)構(gòu)、軌道上的測(cè)點(diǎn)布置，新建工程測(cè)點(diǎn)布置，地面、地層及地下水的測(cè)點(diǎn)布置，以上測(cè)點(diǎn)應(yīng)在施工前提前布設(shè)并提取初始數(shù)據(jù)。施工隊(duì)伍培訓(xùn)、施工設(shè)備調(diào)試、支護(hù)格柵或鋼架試拼裝等施工準(zhǔn)備也是必要的。

2)工程參與各方聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)，施工過(guò)程中應(yīng)做到施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)單位的聯(lián)動(dòng)，責(zé)任到人，及時(shí)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)施工信息，制定三級(jí)報(bào)警制度和應(yīng)急預(yù)案，定期組織各方分析總結(jié)施工情況，制定下一步施工計(jì)劃。

3)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，信息化設(shè)計(jì)施工。監(jiān)控量測(cè)包括施工方和第三方監(jiān)控量測(cè)，互為比照，監(jiān)測(cè)成果是對(duì)施工方案和施工效果的評(píng)價(jià)，若在施工過(guò)程中超過(guò)設(shè)計(jì)給定的預(yù)警值、報(bào)警值或控制值，應(yīng)及時(shí)對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案或方案優(yōu)化。

4)工程施工完畢后，及時(shí)對(duì)既有工程進(jìn)行后評(píng)估，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類近接工程，應(yīng)參照Ⅰ類工程，根據(jù)預(yù)測(cè)的影響范圍適當(dāng)預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為后期量測(cè)提供條件。

5 結(jié)論

地鐵結(jié)構(gòu)自身近接工程的重要意義已不容置疑，對(duì)于Ⅰ類工程目前已得到應(yīng)有重視。對(duì)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類工程，設(shè)計(jì)要站在地鐵線網(wǎng)整體的高度，給予應(yīng)有的重視，不給后實(shí)施工程留難題。綜上所述，設(shè)計(jì)地鐵結(jié)構(gòu)自身近接工程應(yīng)做到如下幾點(diǎn):

1)近接工程是土建節(jié)點(diǎn)控制性工程，應(yīng)針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2)根據(jù)不同近接類型，應(yīng)建立模型計(jì)算、分析評(píng)估、方案論證、專項(xiàng)設(shè)計(jì)的嚴(yán)格設(shè)計(jì)流程。

3)近接工程中的方案穩(wěn)定性、細(xì)節(jié)考慮、計(jì)算分析和與實(shí)施水平的結(jié)合非常重要，是近接設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

4)在工程實(shí)施階段，必須建立參與各方的聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，做到信息化設(shè)計(jì)施工。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［2］北京市規(guī)劃委員會(huì).北京市城市總體規(guī)劃(2004—2020)［R］.北京，2005.

［3］北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司.北京地鐵6號(hào)線一期工程設(shè)計(jì)文件［G］.北京，2011.

［4］施仲衡，張彌，宋敏華，等.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工［M］.2版.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［5］閆朝霞，李振輝，許俊偉.北京新建地鐵近距離穿越既有線施工技術(shù)［J］.鐵道勘察，2010，36(2):96-99.