劉清文

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

近年來，隨著北京城市化進程的加快，為緩解交通壓力，地鐵工程在加速建設，地鐵線網(wǎng)規(guī)模及密度不斷擴大、加強。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、多種運輸方式相協(xié)調的綜合客運交通體系。

北京地鐵土建工程近年來呈現(xiàn)的特點有:線路的交叉、換乘在地鐵設計中已較為常見;受城市復雜環(huán)境影響，地鐵結構相互間近接在市區(qū)日益常見;受場地等因素影響，結構工程很多需要分期、分段建設;工期、拆遷等因素導致的工法調整、新增工程明顯增多。以上特點造成地鐵建設不僅需要考慮既有工程，還需考慮近期待建和遠期規(guī)劃工程;同時自身建設過程中也存在先后建設等情況。剔除地鐵建設對建(構)筑物、管線等周邊環(huán)境的影響，地鐵結構自身近接的情況日益復雜，已上升為土建設計中非常重要的內容，關系到規(guī)劃線網(wǎng)的落地實施、運營安全和后期風險，成為體現(xiàn)設計施工水平的關鍵環(huán)節(jié)。

1 近接工程分類

根據(jù)工程建設的時間關系，地鐵結構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計輸入條件，新建工程需避免或減小對既有工程的影響，滿足既有工程的使用要求。如6號線礦山法區(qū)間下穿既有2號線車公莊站和既有5號線東四站、6號線礦山法區(qū)間下穿4號線盾構區(qū)間、16號線明挖地下3層豐臺南路站平行近貼9號線明挖地下2層豐臺南路站、8號線暗挖車站上跨6號線盾構區(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)定線路方案近期開建工程，屬于已知的設計輸入條件，新建工程需要采取適當措施避免或減小待建工程對其影響，并給待建工程創(chuàng)造必要的臨近施工條件，考慮變化調整可能，新建工程應以盡量少的共建和預留條件為主。如待建16號線礦山法區(qū)間平行斜下穿9號線礦山法區(qū)間、待建12號線盾構區(qū)間下穿10號線十里河站、待建3號線平行臨近6號線東四站等是此類案例。

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

Ⅳ類近接工程是指新建工程在實施過程中受交通導改、管線、地質、工期、工法等影響，存在先后實施問題，此類工程為同步設計情形，需要對相互影響進行詳細論證，采取的工程措施需視實施難度、保護效果、工程費用等進行綜合比選。如車站結構分期實施(包括主體分幅實施、先實施附屬后實施主體、先實施主體后實施附屬)、區(qū)間臨近先后實施(包括近距離平行、疊落盾構或礦山法隧道)、已實施結構上方或下方后實施新增結構等。

2 設計思路

地鐵結構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)，甚至關系到線站位的可實施性，影響重大。因此，對其研究應貫穿工程設計的全過程，并在前期階段加大研究深度。在不同設計階段，近接工程的設計思路如圖2～圖4所示。

圖2 可行性研究階段設計流程

圖3 初步設計階段設計流程

3 設計關鍵點

通過以上思路梳理，兩近接工程的時間和空間關系是設計的起點，即近接工程的方案穩(wěn)定性是設計的前提，特別對于Ⅱ、Ⅲ類近接工程較為重要。在此基礎上，應細化近接方案，找出制約因素，深化研究。

圖4 施工設計階段設計流程

3.1 方案穩(wěn)定性判別

穩(wěn)定性判別是一個較為復雜的過程，對應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)定的對象，在穩(wěn)定自身方案的基礎上，應對可能的近接形式進行深化研究;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;Ⅳ類中的穩(wěn)定對象同Ⅰ類，均為新建工程自身。

方案穩(wěn)定的研究，對于遠期規(guī)劃工程，需對近接工程臨近區(qū)間及站點(一般為3站2區(qū)間)進行專題研究，在此基礎上開展近接方案設計。在穩(wěn)定性判別時，不妨假設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程，如下

式中:a1、a2……an為設定的權重系數(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)劃的建構筑物、地下管線、地面交通、地質與水文地質)、建筑(換乘、消防等)、結構(工法、受力、施工工藝、工程籌劃等)、運營、工程造價等。xi需有解，每個解的值設定在(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)值代表其中某個可行的方案取值。

方案穩(wěn)定性判別時設置的權重、因素應根據(jù)設計的不同階段區(qū)別對待，例如在可行性研究階段，線路因素、環(huán)境因素是重點;而在施工設計階段，由于重大控制因素已穩(wěn)定，建筑結構的細節(jié)因素就會變得越來越重要。權重系數(shù)根據(jù)總體技術要求，結合工程特點和設計經驗選定?？紤]的因素需根據(jù)設計階段選定，由可行性研究至施工設計階段，因素選取應由大到小、由部分到細節(jié)，每個因素的取值也可按式(1)的形式進行細化求解。

對于不同的可行方案，最終求取的ymax即為最優(yōu)方案。

3.2 找出決定方案的細節(jié)

地鐵工程的近接關系組合如圖5所示，理論上近接關系有60種，設計碰到的情況有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、雙側壁導坑法、分部開挖法、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 近接關系組合示意

如此眾多的可行近接方案，選擇時應以既滿足功能需求又相互影響較小為原則。Ⅰ類工程重點控制既有線的沉降(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(見圖6)，盾構法與礦山法的選擇關鍵在于兩端車站是否能提供盾構施工條件，礦山法中頂緊工法與CD工法的選擇關鍵則集中在區(qū)間與既有站的凈距h的確定問題;Ⅱ、Ⅲ類歸結起來也是將來的新建工程下穿既有線的問題，在滿足新線方案合理的基礎上盡量為待建和規(guī)劃工程預留較好的實施條件;Ⅳ類近接工程首先應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號線南東盾構疊落區(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上，平面掰開后兩線高程再走平。

3.3 內力分析和變形預測

圖6 區(qū)間下穿既有車站近接方案

圖7 區(qū)間盾構疊落段平面

圖8 區(qū)間盾構疊落段縱斷面

近接工程結構關系復雜，相互影響大，需要進行內力分析和變形預測，并反饋修正設計，保證結構受力滿足承載力要求、變形滿足控制值要求。

計算分析是設計的基礎，是必要但非充分條件。計算分析應首先根據(jù)近接工程兩者的相互關系、修建時序、施工工法、施工步序，選定基本的不利工況，確立二維、三維簡化模型，模擬分析。

3.3.1 基礎資料收集整理

計算前需要收集計算所需的基本資料，包括既有結構竣工資料、現(xiàn)狀檢測報告、新建工程結構設計資料(包括結構平剖面、施工步序、輔助工程措施及參數(shù)指標)、工程地質和水文地質資料、既有工程和新建工程設計依據(jù)的規(guī)范及標準。

3.3.2 結構力學分析

結構分析通常根據(jù)地下結構特點采用荷載結構模型、地層結構模型，對近接工程進行二維或三維計算，計算步驟為建立模型→加載→求解→結果分析。

根據(jù)計算結果對既有結構及新建結構進行承載力驗算。根據(jù)計算變形，找出結構變形趨勢和不利位置，核實是否滿足變形控制要求。

3.3.3 計算反饋和修正設計

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

圖9 南東新增左線盾構井圍護剖面

根據(jù)變形預測情況，得出每個工況產生的變形增量比例，從而利用給定的變形控制值，分配每個施工工況的變形控制指標，做到分步控制與總體控制相結合。

3.4 做到施工簡化、快速

任何理論分析都應符合工程實施條件，脫離當前施工技術水平、隊伍素質、管理水平、設備狀況和施工質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，最終效果不會很理想。

圖10 增設內部型鋼支撐后的管片彎矩

近接工程設計，一般需要做到以下幾點:

1)充分發(fā)揮地層承載能力，盡量擴大施工空間。近接工程周邊地層有原始地層和經過預加固處理的地層，在計算分析的基礎上要充分結合北京地質特點以及地鐵工程施工經驗和實測成果，對導洞尺寸、支撐間距、襯砌分段長度等參數(shù)進行修正，為施工提供寬敞、舒適的作業(yè)環(huán)境。

2)充分吸收新工藝，減少轉換及過渡。過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，對施工前方范圍的擴大注漿可不采用擴挖斷面即可完成，如圖12所示，即不需要早期斷面擴挖過渡。

圖11 管棚方案優(yōu)化

3)簡化步序，做到快施工、快封閉。快速施工和支護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范圍加大。斷面的及時閉合，能使結構及早發(fā)揮承載能力。

圖12 注漿方案優(yōu)化

4 近接工程的實施

對于Ⅰ類工程，由于涉及既有線的運營，影響重大，應制定嚴密的實施方案。包括:

1)實施前試驗、測點布置等準備工作要充分。對于注漿工藝要結合工程所處具體地層條件，選擇適當?shù)膮?shù)，包括一次注漿長度、漿液配比、注漿漿液的擴散半徑、鉆孔布置、注漿效果等都需要實際驗證，根據(jù)試驗情況進行調整。測點布設包括既有結構、軌道上的測點布置，新建工程測點布置，地面、地層及地下水的測點布置，以上測點應在施工前提前布設并提取初始數(shù)據(jù)。施工隊伍培訓、施工設備調試、支護格柵或鋼架試拼裝等施工準備也是必要的。

2)工程參與各方聯(lián)動協(xié)調，施工過程中應做到施工、監(jiān)理、設計、建設和運營單位的聯(lián)動，責任到人，及時跟蹤現(xiàn)場施工信息，制定三級報警制度和應急預案，定期組織各方分析總結施工情況，制定下一步施工計劃。

3)加強監(jiān)控量測，信息化設計施工。監(jiān)控量測包括施工方和第三方監(jiān)控量測，互為比照，監(jiān)測成果是對施工方案和施工效果的評價，若在施工過程中超過設計給定的預警值、報警值或控制值，應及時對方案進行調整，必要時啟動應急預案或方案優(yōu)化。

4)工程施工完畢后，及時對既有工程進行后評估，并總結經驗教訓。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類近接工程，應參照Ⅰ類工程，根據(jù)預測的影響范圍適當預埋監(jiān)測點，為后期量測提供條件。

5 結論

地鐵結構自身近接工程的重要意義已不容置疑，對于Ⅰ類工程目前已得到應有重視。對Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類工程，設計要站在地鐵線網(wǎng)整體的高度，給予應有的重視，不給后實施工程留難題。綜上所述，設計地鐵結構自身近接工程應做到如下幾點:

1)近接工程是土建節(jié)點控制性工程，應針對風險難點進行重點研究。

2)根據(jù)不同近接類型，應建立模型計算、分析評估、方案論證、專項設計的嚴格設計流程。

3)近接工程中的方案穩(wěn)定性、細節(jié)考慮、計算分析和與實施水平的結合非常重要，是近接設計的關鍵點。

4)在工程實施階段，必須建立參與各方的聯(lián)動協(xié)調，加強監(jiān)測，做到信息化設計施工。

［1］GB 50157—2003地鐵設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

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

［3］北京城建設計研究總院有限責任公司.北京地鐵6號線一期工程設計文件［G］.北京，2011.

［4］施仲衡，張彌，宋敏華，等.地下鐵道設計與施工［M］.2版.西安:陜西科學技術出版社，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［J］.鐵道勘察，2010，36(2):96-99.