北京地铁结构自身近接工程的设计思考

2013-08-10刘清文

都市快轨交通 2013年4期

刘清文

(北京城建设计研究总院有限责任公司北京 100037)

近年来，随着北京城市化进程的加快，为缓解交通压力，地铁工程在加速建设，地铁线网规模及密度不断扩大、加强。根据北京市总体规划，北京市要在2020年前初步建成以公共交通为主体、轨道交通为骨干、多种运输方式相协调的综合客运交通体系。

北京地铁土建工程近年来呈现的特点有:线路的交叉、换乘在地铁设计中已较为常见;受城市复杂环境影响，地铁结构相互间近接在市区日益常见;受场地等因素影响，结构工程很多需要分期、分段建设;工期、拆迁等因素导致的工法调整、新增工程明显增多。以上特点造成地铁建设不仅需要考虑既有工程，还需考虑近期待建和远期规划工程;同时自身建设过程中也存在先后建设等情况。剔除地铁建设对建(构)筑物、管线等周边环境的影响，地铁结构自身近接的情况日益复杂，已上升为土建设计中非常重要的内容，关系到规划线网的落地实施、运营安全和后期风险，成为体现设计施工水平的关键环节。

1 近接工程分类

根据工程建设的时间关系，地铁结构自身近接工程可分为4类，如图1所示。

图1 地铁自身近接工程分类

Ⅰ类近接工程中的既有工程为已知设计输入条件，新建工程需避免或减小对既有工程的影响，满足既有工程的使用要求。如6号线矿山法区间下穿既有2号线车公庄站和既有5号线东四站、6号线矿山法区间下穿4号线盾构区间、16号线明挖地下3层丰台南路站平行近贴9号线明挖地下2层丰台南路站、8号线暗挖车站上跨6号线盾构区间等都是此类案例。

Ⅱ类近接工程中的待建工程为已稳定线路方案近期开建工程，属于已知的设计输入条件，新建工程需要采取适当措施避免或减小待建工程对其影响，并给待建工程创造必要的临近施工条件，考虑变化调整可能，新建工程应以尽量少的共建和预留条件为主。如待建16号线矿山法区间平行斜下穿9号线矿山法区间、待建12号线盾构区间下穿10号线十里河站、待建3号线平行临近6号线东四站等是此类案例。

Ⅲ类近接工程中的规划工程为远期线，近几年线网频繁加密调整，新建工程需考虑规划线路的可能走向，预留远期条件。前期研究的四环线、北三环线、9号线北延、昌平线南延等属于规划研究线，新建工程宜考虑规划工程的存在，预留可实施条件，主要工程措施在后实施工程中采取，以避免规划调整造成不必要的浪费。如15号线安立路站与规划安立路车站的关系、15号线北沙滩站与规划昌平线南延的关系、8号线三期大红门桥站同规划四环线的关系等。

Ⅳ类近接工程是指新建工程在实施过程中受交通导改、管线、地质、工期、工法等影响，存在先后实施问题，此类工程为同步设计情形，需要对相互影响进行详细论证，采取的工程措施需视实施难度、保护效果、工程费用等进行综合比选。如车站结构分期实施(包括主体分幅实施、先实施附属后实施主体、先实施主体后实施附属)、区间临近先后实施(包括近距离平行、叠落盾构或矿山法隧道)、已实施结构上方或下方后实施新增结构等。

2 设计思路

地铁结构自身近接工程通常为全线土建控制工程，可行与否涉及线路、建筑等上游专业，甚至关系到线站位的可实施性，影响重大。因此，对其研究应贯穿工程设计的全过程，并在前期阶段加大研究深度。在不同设计阶段，近接工程的设计思路如图2～图4所示。

图2 可行性研究阶段设计流程

图3 初步设计阶段设计流程

3 设计关键点

通过以上思路梳理，两近接工程的时间和空间关系是设计的起点，即近接工程的方案稳定性是设计的前提，特别对于Ⅱ、Ⅲ类近接工程较为重要。在此基础上，应细化近接方案，找出制约因素，深化研究。

图4 施工设计阶段设计流程

3.1 方案稳定性判别

稳定性判别是一个较为复杂的过程，对应于流程图中拟定两工程的近接方案。Ⅰ类中的既有工程是已知常量，新建工程的稳定是此类工程的关键;Ⅱ类中的新建工程和近期待建工程均是需要稳定的对象，在稳定自身方案的基础上，应对可能的近接形式进行深化研究;Ⅲ类中的规划工程在走向确定的情况下，围绕新建工程的稳定方案，选择合理线站位，新建工程在此类中是重点;Ⅳ类中的稳定对象同Ⅰ类，均为新建工程自身。

方案稳定的研究，对于远期规划工程，需对近接工程临近区间及站点(一般为3站2区间)进行专题研究，在此基础上开展近接方案设计。在稳定性判别时，不妨假设新建工程或近接工程的可行方案为函数y，方案稳定性判别就是求解方程的过程，如下

式中:a1、a2……an为设定的权重系数，x1、x2……xn为考虑的因素，包括线路因素(曲线、坡度等)、环境(既有和规划的建构筑物、地下管线、地面交通、地质与水文地质)、建筑(换乘、消防等)、结构(工法、受力、施工工艺、工程筹划等)、运营、工程造价等。xi需有解，每个解的值设定在(0～1］，0代表方案不可行，1代表方案最优，0～1之间的数值代表其中某个可行的方案取值。

方案稳定性判别时设置的权重、因素应根据设计的不同阶段区别对待，例如在可行性研究阶段，线路因素、环境因素是重点;而在施工设计阶段，由于重大控制因素已稳定，建筑结构的细节因素就会变得越来越重要。权重系数根据总体技术要求，结合工程特点和设计经验选定。考虑的因素需根据设计阶段选定，由可行性研究至施工设计阶段，因素选取应由大到小、由部分到细节，每个因素的取值也可按式(1)的形式进行细化求解。

对于不同的可行方案，最终求取的ymax即为最优方案。

3.2 找出决定方案的细节

地铁工程的近接关系组合如图5所示，理论上近接关系有60种，设计碰到的情况有50多种，再加上明挖车站施工存在明挖顺作法、盖挖顺作法和盖挖逆作法三种工法，矿山法车站施工存在PBA工法、CRD工法、双侧壁导坑法、分部开挖法、顶紧法等多种形式，这样以工法划分的近接方案有百余种。

图5 近接关系组合示意

如此众多的可行近接方案，选择时应以既满足功能需求又相互影响较小为原则。Ⅰ类工程重点控制既有线的沉降(上浮)、差异沉降变形，以有利于控制变形并尽可能实现其他功能的工法为首选，例如区间下穿既有车站近接方案(见图6)，盾构法与矿山法的选择关键在于两端车站是否能提供盾构施工条件，矿山法中顶紧工法与CD工法的选择关键则集中在区间与既有站的净距h的确定问题;Ⅱ、Ⅲ类归结起来也是将来的新建工程下穿既有线的问题，在满足新线方案合理的基础上尽量为待建和规划工程预留较好的实施条件;Ⅳ类近接工程首先应满足自身的功能需求，并尽量减少影响范围和降低影响程度，如图7、图8，6号线南东盾构叠落区间，确定为先施工下方隧道后施工上方隧道，为减少上方盾构施工影响，出站后尽量拉大两线的竖向距离，在满足最小曲线半径的基础上，平面掰开后两线高程再走平。

3.3 内力分析和变形预测

图6 区间下穿既有车站近接方案

图7 区间盾构叠落段平面

图8 区间盾构叠落段纵断面

近接工程结构关系复杂，相互影响大，需要进行内力分析和变形预测，并反馈修正设计，保证结构受力满足承载力要求、变形满足控制值要求。

计算分析是设计的基础，是必要但非充分条件。计算分析应首先根据近接工程两者的相互关系、修建时序、施工工法、施工步序，选定基本的不利工况，确立二维、三维简化模型，模拟分析。

3.3.1 基础资料收集整理

计算前需要收集计算所需的基本资料，包括既有结构竣工资料、现状检测报告、新建工程结构设计资料(包括结构平剖面、施工步序、辅助工程措施及参数指标)、工程地质和水文地质资料、既有工程和新建工程设计依据的规范及标准。

3.3.2 结构力学分析

结构分析通常根据地下结构特点采用荷载结构模型、地层结构模型，对近接工程进行二维或三维计算，计算步骤为建立模型→加载→求解→结果分析。

根据计算结果对既有结构及新建结构进行承载力验算。根据计算变形，找出结构变形趋势和不利位置，核实是否满足变形控制要求。

3.3.3 计算反馈和修正设计

根据分析结论，优化、调整近接工程方案，再进行重新核算。通常存在个别工况内力、变形较大，计算通不过的情况，则优化该工况即可，以减小优化的盲目性。例如，6号线南东区间左线盾构井位于盾构叠落段范围，属于Ⅳ类工程，为新增工程，盾构井基坑平面尺寸为15.8 m ×12.4 m，深20.864 m，基坑支护采用钻孔灌注桩加混凝土支撑(第1道支撑)和钢管内支撑(第2～4道)体系，本基坑距离已实施右线盾构隧道1.024 m，如图9所示。选取5种不利工况对右线盾构隧道进行计算分析，①左线盾构始发井基坑开挖到基底工况;②盾构井结构施工完毕后工况;③左线盾构机始发工况;④盾构井封口回填覆土工况;⑤降水情况(降水至右线盾构底以上1 m)。经计算分析，工况①右线盾构隧道上部荷载最小，侧向压力最大，受力最为不利，管片自身配筋不满足要求，需要对本工况进行调整优化，采取的应对措施包括加深桩基入土深度、坑底加固以减小土体侧压力系数和增设管片环型钢内支撑，并预留出渣通道，保证不影响右线盾构施工，采取措施后的计算管片弯矩如图10所示，满足右线管片实际配筋(φ25间距150 mm)的要求。

图9 南东新增左线盾构井围护剖面

根据变形预测情况，得出每个工况产生的变形增量比例，从而利用给定的变形控制值，分配每个施工工况的变形控制指标，做到分步控制与总体控制相结合。

3.4 做到施工简化、快速

任何理论分析都应符合工程实施条件，脱离当前施工技术水平、队伍素质、管理水平、设备状况和施工质量情况的近接工程方案，即使理论分析合理可行，施工也难以做到或做不到位，最终效果不会很理想。

图10 增设内部型钢支撑后的管片弯矩

近接工程设计，一般需要做到以下几点:

1)充分发挥地层承载能力，尽量扩大施工空间。近接工程周边地层有原始地层和经过预加固处理的地层，在计算分析的基础上要充分结合北京地质特点以及地铁工程施工经验和实测成果，对导洞尺寸、支撑间距、衬砌分段长度等参数进行修正，为施工提供宽敞、舒适的作业环境。

2)充分吸收新工艺，减少转换及过渡。过既有线早期的很多方案采用大管棚的措施，随着千金顶顶紧工艺的成熟，不但可省去大管棚，还能做到零沉降，做到新建线路最大幅度的抬升，如图11所示。随着深孔注浆工艺的完善，注浆孔可采用束状放射布置，对施工前方范围的扩大注浆可不采用扩挖断面即可完成，如图12所示，即不需要早期断面扩挖过渡。

图11 管棚方案优化

3)简化步序，做到快施工、快封闭。快速施工和支护断面闭合是非常重要的，有利于减少周边土体松弛变形和扰动范围加大。断面的及时闭合，能使结构及早发挥承载能力。

图12 注浆方案优化

4 近接工程的实施

对于Ⅰ类工程，由于涉及既有线的运营，影响重大，应制定严密的实施方案。包括:

1)实施前试验、测点布置等准备工作要充分。对于注浆工艺要结合工程所处具体地层条件，选择适当的参数，包括一次注浆长度、浆液配比、注浆浆液的扩散半径、钻孔布置、注浆效果等都需要实际验证，根据试验情况进行调整。测点布设包括既有结构、轨道上的测点布置，新建工程测点布置，地面、地层及地下水的测点布置，以上测点应在施工前提前布设并提取初始数据。施工队伍培训、施工设备调试、支护格栅或钢架试拼装等施工准备也是必要的。

2)工程参与各方联动协调，施工过程中应做到施工、监理、设计、建设和运营单位的联动，责任到人，及时跟踪现场施工信息，制定三级报警制度和应急预案，定期组织各方分析总结施工情况，制定下一步施工计划。

3)加强监控量测，信息化设计施工。监控量测包括施工方和第三方监控量测，互为比照，监测成果是对施工方案和施工效果的评价，若在施工过程中超过设计给定的预警值、报警值或控制值，应及时对方案进行调整，必要时启动应急预案或方案优化。

4)工程施工完毕后，及时对既有工程进行后评估，并总结经验教训。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类近接工程，应参照Ⅰ类工程，根据预测的影响范围适当预埋监测点，为后期量测提供条件。