单层大跨度拱顶直墙浅埋暗挖法地铁车站研究和设计
摘要：在城市繁华区域修建地铁车站由于交通疏解、管线迁改的双重难题，往往采用浅埋暗挖法。本文以北京地铁14号线朝阳公园站工程实例为研究对象，针对单层大跨度暗挖断面，提出了采用拱顶直墙的形式，并对该种类型断面的设计思路、施工工法选择以及设计施工中的关键技术进行了深入探讨。现场施工实践证明，该方法是安全可行的。
关键词：浅埋暗挖；地铁车站；关键技术；柱洞法
随着我国城镇化的进程，各大城市交通拥堵状况越来越显著，城市管理者们将越来越多的眼光投向了公共交通的发展，以此来缓解城市交通的压力。其中，方便快捷的地下轨道交通成为一个理想选择。由于地铁线路大多穿越城市繁华中心区域，这些区域本身就是交通拥堵和地下管线密集的地区，给地铁施工带来了很大的难度。目前条件下，可供选择的地铁施工方法有明挖法、盖挖法以及浅埋暗挖法。浅埋暗挖法可避免对交通和地下管线的影响，自1986 年试验成功后, 得到广泛应用和发展。
浅埋暗挖法车站有单层、双层两种。目前的城市地下管网系统，如污水管、电力管沟、热力管沟、综合管廊等埋深很大，为减少车站埋深和投资，下穿管线部分的地铁车站往往采用单层暗挖，两端采用明挖双层或暗挖双层，形成端厅车站。双层部分一般采用箱型框架结构，而单层暗挖断面，通常采用平顶直墙矩形断面[1]或者拱形的三联拱断面[2]。
本文以北京地铁14号线朝阳公园站工程实例为对象，结合平顶直墙矩形断面和三联拱断面的优点，介绍了一种单层拱顶直墙断面（见图2），并对该断面的设计思路、施工方法、关键技术进行了深入研究，现场施工实践证明该方法是可行的，为类似工程的设计提供了一定参考。
1工程概况
1.1车站概况
朝阳公园站为北京地铁14号线与3号线的换乘站，3号线远期实施,本期施工预留换乘节点。车站位于甜水园街（南北向）与朝阳公园南路（东西向）丁字交叉路口，呈南北走向（图1）。位于甜水园街上部分采用盖挖法施工，朝阳公园南路部分采用暗挖法施工，位于朝阳公园内部分采用明挖法施工，车站总长363.45m，宽度22.9m，暗挖部分覆土8.8m。
甜水园街、朝阳公园南路均为北京市内的交通要道，交通拥堵。在丁字路口下方，地下管线非常密集，涵盖了常见的各种地下管线，而且管径大、埋深大。交通、管线成为制约本站设计和施工的两大重要因素。本文仅针对暗挖部分讨论。
图1 车站总平面
1.2工程地质及水文地质条件
车站场地位于古金沟河故道，场地平坦，地层分布均匀。勘察钻孔范围内的土层划分为人工堆积层（Qml）、第四纪全新世冲洪积层（Q3alp+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q41al+pl）三大类，地层情况从上至下依次为1杂填土、粉土填土、粉土、1粉质黏土、粉土、3粉细砂、4中粗砂、1中粗砂、圆粒卵石、粉质黏土、2粉土。基底位于圆粒卵石，地基土整体稳定性好，可视为均匀性地基，土层为中～低压缩性土层。
本场地范围内有3层地下水：上层滞水（一）:水位埋深1.40～7.33m，含水层为1
杂填土层、粉土层，分布连续，水量较大；潜水（二）：水位埋深8.90～11.97m，含水层主要为3粉细砂层、4中粗砂层、圆砾卵石层、1中粗砂层，水位标高随含水层的起伏而变化，分布连续；承压水（三）：水头埋深17.24～19.67m，水头高度为4.5m左右，含水层主要为圆砾卵石层、1中粗砂层、2粉细砂层。
2总体设计思路
首先需要确定断面形式，再确定暗挖工法。通常情况下，可供选择的有二种断面形式：平顶直墙矩形断面、三联拱拱形断面。采用前者，可方便的实现暗挖部分与两端盖挖、明挖部分的衔接，但该断面施工风险很大；采用后者，可在一定程度上减少施工风险，但增加了与盖挖、明挖部分的接口难度。本文结合以上两种断面的优缺点，提出采用拱顶直墙的断面，既可方便的实现与盖挖、明挖断面的接口，也可减少施工风险。
3施工工法选择
根据浅埋暗挖法的理论，本文断面可供选择的施工工法有中洞法、侧洞法、柱洞法。经综合比选，本文选择安全度高、工期较短、力学转换相对简单的柱洞法施工[4]，施工步序见图2。
图2 施工步序
4关键技术
本文柱洞法设计和施工的成败，需着重注意和解决以下关键技术。
4.1导洞的设计
导洞设计，主要考虑结构受力和施工空间两个方面的因素，两者兼顾。根据一般经验，中导洞宽度设计为净宽4m，可满足施工机械和土方、材料运输的空间要求，也能保持开挖期间土体的稳定，防止塌方出现。而对边导洞，设计净宽为3m，可满足最小施工要求。导洞的高度，如果采用一次开挖，对施工空间有利，但显然不能满足受力要求，本次设计中引入了一层中隔板，将导洞设计为上导洞高4.7m、下导洞高4.08m。至此，正线车站形成了四纵排两横排的导洞，即上下八个导洞。
4.2初支扣拱设计
初支扣拱设计，需考虑初支扣拱期间的土体稳定和二衬扣拱期间初支拱部的稳定两个方面。对一个方面，相对正线导洞开挖，初支扣拱的风险更大，容易出现塌方。本次设计中，在初支扣拱部分采用了大管棚+小导管注浆超前支护的形式，来保证拱部土体在开挖期间的稳定。
对第二方面，在初支扣拱完成后，进行二衬扣拱，此时需凿除正线导洞侧壁。初支扣拱如果直接搭在正线导洞的侧壁上，在凿除期间，可能造成初支脚部的脱落，从而引起塌方。本次设计中，通过在正线导洞上预留插筋，使初支扣拱形成一个稳定的受力体系，保证了二衬扣拱期间的安全。
图3 初支扣拱设计
4.3钢管混凝土梁柱节点设计
暗挖法工序复杂，梁柱分期浇筑，而且覆土大，对柱的选择，采用承载力大、安装方便的钢管柱。
（1）顶板梁柱节点设计
钢管柱内插钢筋伸入顶纵梁，形成混凝土芯柱。为增加抗剪能力，在混凝土下焊接一个环形抗剪钢牛腿，并通过涂刷防火防腐涂料，来解决锈蚀和火灾问题，提高结构的耐久性。
（2）底板梁柱节点设计
在底纵梁上面预埋地脚螺栓，钢管柱通过地脚螺栓固定在底纵梁上。同时，钢管柱内插钢筋伸入底纵梁，形成混凝土芯柱，提高承载力和稳定性。
4.4底板浇筑
从施工工序可以看到，底板分成了七块浇筑，四个导洞内以及导洞之间。在二衬扣拱完成后，往下开挖土体并施工底板。由于结构受到水平向的水土压力，而浇筑完成的侧墙底部并未固定，形成了一个倒C型的结构，因此浇筑二衬期间采用纵向台阶式开挖，每次开挖一榀范围内的土方至基底，并立即架设钢格栅并喷射混凝土封底，以此来保证整个结构的稳定。
5结论
本文以北京地铁14号线朝阳公园站的工程实例为对象，提出单层大跨度拱顶直墙的断面型式，可得出以下结论：
（1）该方法对结合了平顶直墙断面和三联拱断面的优点，方便的实现了暗挖与明盖挖的接口，也减小了施工风险，适用于交通繁忙、地下管线多的区域修建浅埋暗挖地铁车站；
（2）该方法安全性好，不仅适用于三跨断面，而且可以推广到四跨、五跨等，可在公路隧道、甚至地下空间开发中运用；
（3）施工实践证明了该方法是可行的，为类似工程的设计提供了一定参考。
参考文献（References）：
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