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目录
第一章绪论3
1.1选题背景及研究意义3
1.2国内外研究现状分析4
1.3地铁车站的主要施工方法6
1.3.1明挖法6
1.3.2暗挖法6
1.4研究的主要内容及实施方案7
1.4.1研究的主要内容7
第二章工程背景9
2.1西安市地铁四号线火车站站工程概况9
2.1.1西安地铁四号线工程概况9
2.1.2火车站站周边环境概况10
2.2工程地质及水文地质条件11
2.2.1工程地质概况11
2.2.2水文地质条件13
2.2.3不良地质14
第三章国铁西安站改造工程与地铁四号线工程的建设关联14
3.1国铁西安站改造工程建设14
3.2西安地铁四号线工程的建设15
3.3火车站建设工程方案选择16
第四章浅埋暗挖隧道施工过程地表控制基准18
4.1理论依据18
4.2下穿既有铁路变形控制标准研究20
4.2.1既有线轨道变形允许的偏差22
4.2.2轨道规定的允许沉降变形倾斜率25
4.2.3基于平顺性要求的允许最大沉降计算值27
4.2.4基于平顺性要求的最大允许沉降变形标准28
4.2.5基于平顺性的允许沉降变形速率29
4.3既有铁路控制标准参考30
第五章开挖方案比较31
5.1NTR方案31
5.1.1NTR法概述31
5.1.2施工总体方案及工程筹划32
5.1.3施工工艺及技术措施33
5.1.4投资估算36
5.2管幕+PBA方案36
5.2.1管幕+PBA法概述36
5.2.2施工总体方案及工程筹划38
5.2.3施工工艺及技术措施39
5.2.4投资估算42
5.3NTR与管幕+PBA方案对比42
第六章浅埋暗挖地铁车站开挖方案数值模拟研究44
6.1MIDAS/GTS有限元程序简介44
6.2暗挖地铁车站开挖方案数值模拟46
6.2.1模型的假设和计算参数的选取46
6.2.2CRD法施工方案数值模拟47
6.2.3NTR法施工方案数值模拟51
6.2.4PBA法施工方案数值模拟53
6.3各开挖方案数值模拟结果对比分析58
第7章结论与展望58
7.1主要结论58
7.2研究展望58
第1章绪论
1.1选题背景及研究意义
进入21世纪,人类也正在反思在20世纪活动中的得与失。
人类正在面临着人口、土地、能源、水资源、环境、气候的六大挑战。
我们必须把控制人口、节约能源、保护环境放在重要位置。
为此,必须把优化经济结构,合理利用资源,协调地区发展、提高人口素质,彻底清除贫困。
地下工程建设是最符合上述可持续发展要求的建设领域之一。
随着城市规模的不断扩大,人口增加,有大量的交通、房屋要建,我们每天都看到大片良田被钢筋混凝土所取代,这种“摊煎饼”扩大城市的发展模式是与可持续发展目标相违背的落后的发展模式。
能否把地面的沃土多留点给农业生产和生活环境,把地下岩土多开发点给道路交通、工厂和仓库,从而将城市地下空间发展,使其成为人类在地球上安全舒适生活的第二个空间,这个问题值得我们研究。
截止2007年底,我国已运营的铁路隧道5941座、3750270延长米。
其中,长度10000m以上的特长隧道7座,长度3000-10000m的长隧道169座,长度500-3000m的中长隧道1181座,长度不足500m的短隧道3954座。
我国万亩以上的特长隧道有京广线大瑶山隧道(14295m)。
西康线秦岭隧道(18456m),宁西线东秦岭隧道(12268m)、兰新线乌鞘岭隧道(20050m)、渝怀线圆梁山隧道(11070m)。
目前正在开工建设的铁路隧道已超过4700km,2010年以后开工建设的隧道将增加9000km以上。
截止2002年,公路隧道总数已达1782座,总长度704km,是世界上公路隧道最多的国家。
[1]
根据国家“十二五”规划,今后我国将对城市轨道交通发展采取三级政策:
北京等4个超大城市将建成网络化运营系统,优化交通枢纽;其他300万人以上的城市要建设轨道交通的基本骨架;有条件的150万人以上的城市要建设轨道交通,而且轨道交通要多样化。
预计到2020年,中国的地铁总里程可达3000km。
可见,随着中国经济的飞速发展和城市化进程的加速,地铁在城市交通中所占的份额将越来越大,完善的快速轨道交通网络即将形成。
然而,在如此大规模的地铁建设高潮背后,地铁的设计和施工仍面临许多挑战,如何科学合理的设置地铁车站并选取适宜的施工工法便是其中之一。
按照开挖方法的不同,地铁车站可分为明挖车站、全暗挖车站和局部暗挖(明、暗挖结合)车站。
随着城市的发展,商贸经济繁华区、政治和文化中心越来越多,市区内的建筑物高大密集、人口拥挤、车流量大、公交线路多,加之城市的地铁规划一般落后于城市道路、建筑规划,地铁车站设计日渐受到建设空间狭小、周围管线密集、临近既有建筑物、地面交通繁忙等诸多条件的限制。
如何选用合理的施工方案去最大限度的减少施工过程中对周围建筑物及相关设施的影响,减少施工工期,简化施工工序,降低工程造价等,都是在地铁车站建设施工中所必须考虑的相关问题。
同时,由于城市地铁车站所处环境特殊,施工中稍有不慎就会对土体造成强烈扰动、引起地面大幅沉降,进而导致地面建筑和地下构筑物开裂破损、甚至倒塌,给城市建筑、道路及市民安全带来严重影响,造成巨大的人身和经济财产损失。
因而,对于选取何种施工方案才能保证地铁车站建设过程的安全可靠,是工程界一直聚焦的课题之一,所以更应开展相关研究,探讨如何根据暗挖地铁车站的不同结构形式,选择科学合理的施工工法。
1.2国内外研究现状分析
浅埋地下工程以往在施工环境较好的情况下多采用明挖法施工,明挖法是在无支护或支护体系的保护下开挖基坑或沟槽,然后在基坑或沟槽内施做地下工程主体结构的施工方法。
按照隧道和地铁车站明挖法施工的基坑形状和施工顺序,其明挖法亦称作基坑法,主要分为敞口明挖法和基坑支护开挖法两类,敞口开挖分为放坡开挖和垂直开挖,盖挖法可分为盖挖顺作、盖挖逆作、盖挖半逆作或多种支护形式、开挖方式组合的方法。
明挖法的施工方法具体是首先自上至下开挖出基坑,再在基坑内进行结构施工,最后回填恢复地面。
20世纪80年代以后,随着我国国民经济的发展,越来越多的地下工程的基础设施不断涌现,从最初的简单的深基坑工程,到地下连续墙法,SMW工法,逆作法施工等。
国内采用明挖法修建的地下工程很多,设计方案和施工技术不断创新,都取得了很多进展。
浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法,主要包括台阶法、CD法、CRD法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、洞桩法、洞柱法等。
浅埋暗挖法施工技术的发展历程大致如下[2-14]:
1934年,奥地利的Rabcewiz最先提出将喷浆法应用到实际工程中;1945年建设洛伊布尔隧道时,喷浆法正式被应用并得到认可;1953年在伊泽尔-阿尔克电站的建设中第一次运用了锚杆支护技术。
随着理论研究的深入和实际工程的积累,1963年拉布采维茨正式把以喷锚支护为主要技术手段的地下工程开挖方法命名为新奥地利隧道施工法,简称新奥法。
【2]
1981年,德国工程技术人员在慕尼黑地铁的施工过程中创立了中隔壁法(CD工法),后继又发展出眼镜法(CRD工法)及双侧壁导坑法,并在随后的德国地铁是工作被广泛应用。
[3]
1984年,德国的CD工法被日本引进并运用到到本国大跨度隧道的施工中,在全国推广实施且获得成功。
[4]
20世纪80年代,我国在借鉴外国成功经验,以及我国山岭隧道硬岩新奥法施工经验的基础上,结合中国国情和地质及水文地质情况,有王梦恕院士主持创造的地下工程施工技术——浅埋暗挖技术。
1986年5月,我国在结合北京地区地质与水文地质情况,在北京地铁复兴门折返线工程设计施工中,首次使用了浅埋暗挖技术并获得成功,与明挖技术相比,这项技术具有拆迁少、不扰民、不破坏交通及周边环境等优点,为城市修建地铁开辟了一条新的道路。
浅埋暗挖法经过十多年的不断改进与完善,在多种工程中都得到了应用,包括地下停车场、城市地下商场、城市地铁、市政工程、城市电力管道等。
以北京地铁工程为背景总结出的“隧道与地铁浅埋暗挖工法”,已被国家建设部批准为国家级工法,被广发运用于公路、铁路及其他城市地下工程。
随后,在总结国内大量浅埋暗挖法工程实践经验的基础上,王梦恕[5]提出了代表浅埋暗挖法施工技术精髓的18字方针“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。
1.3地铁车站的主要施工方法
1.3.1明挖法
明挖法是从地表面向下开挖,在预定位置修筑结构物方法的总称。
明挖法具有施工技术简单、作业面多、快速、经济的特点,可以适用不同类型的结构形式,使结构空间得到充分而有效的利用。
此外,明挖法施工作业面大,各项工序可以全面铺开,进行平行作业,提高了施工效率,缩短了工期,且工程质量比较有保障。
在周边交通和环境允许的地方为地铁车站施工首选工法。
明挖法的关键施工步序如下:
管线迁改-围护结构施工-土方开挖-防水工程-结构施工-管线回迁覆土。
根据地质及周边场地条件,围护结构可选用钻孔桩、SMW水泥土+型钢、地下连续墙等,如周边环境许可,甚至可以采用锚喷支护放坡开挖而无需围护结构。
随着埋深的增加,明挖法的工程费用及工期都将增大。
当地下水位较高时,明挖基坑降水和地层加固的费用占比较大。
1.3.2暗挖法
暗挖法可以分为浅埋暗挖法和盾构法两种。
浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法。
浅埋暗挖法通过竖井,采用机械施工或人工掘进,利用岩土的自立性能,在不破坏地表的情况下完成地下洞室的修建。
浅埋暗挖法适用条件为隧道埋置较深,覆土层较厚,围岩具有一定自稳能力。
一般用于市区区间隧道的施工,当施工时不允许中断城市交通或无道路改移的条件时,或隧道断面尺寸有变化时,浅埋暗挖法是较理想的选择。
浅埋暗挖法施工工艺简单、适应性较强,施工时对道路交通干扰小,但浅埋暗挖法施工引发的地面沉降不易控制,工期较长,造价较高、风险较大。
围岩是否有足够的自稳能力,是决定能否采用浅埋暗挖法施工的关键。
当围岩的自稳能力较差或地下水位较高时,需采用特别的支护技术措施,如超前注浆法、降水等,浅埋暗挖法的工程造价相对要增加许多。
盾构法是一种使用盾构掘削机挖土排土构筑隧道的施工方法,主要用于断面和功能较单一的区间隧道的施工。
此法是在盾构机钢壳体的保护下,依靠其前部的刀盘或挖掘机开挖土层,并在盾构壳体内完成出渣,管片拼装,推进等作业。
盾构法施工具有进度快、作业安全、噪音小、管片精度高、衬砌质量可靠、防水性能好、地表沉降小、占地少、不影响城市交通等优点,但也存在施工设备复杂昂贵,机械针对断面尺寸调整的适应性最差等缺点。
目前盾构工法已在地铁隧道、污水排放隧道等城市隧道的建造中占有绝对的统治地位。
1.4研究的主要内容及实施方案
1.4.1研究的主要内容
(1)铁路站场下暗挖隧道地表沉降控制基准的研究
《铁路线路修理规则》(铁运[2006]146号):
道岔区两股钢轨顶面水平的容许偏差,正线及到发线不得大于6mm,其他站线不得大于8mm。
一般情况下,超过允许限值的水平差,只是引起车辆摇晃和两股钢轨的受力不均,导致钢轨的不均匀磨损。
但如果在延长不足18m的距离内出现水平差超过4mm的三角坑,将导致一个车轮减载或悬空,如果此时出现较大横向力作用,有可能发生脱轨事故。
(2)车站形式及施工方法选择的研究
根据沉降控制基准的研究成果,结合西安地区已有的工程建设相关经验,选择合理的车站形式,并根据本站地质情况选取与车站形式配套的施工工法,确保施工过程中产生的沉降不影响国铁正常运营。
本文的具体技术路线如图1.4.1-1所示。
图1.4.1-1
1.4.2实施方案
(1)结合西安地区已有的工程建设相关经验,深入调查工程所处的地质环境、地面与铁路道床形式等情况,结合相关规范、标准中关于铁路线路的变形控制标准,通过有限元分析的手段,提出合理的地层沉降允许变形值,并进一步形成相应的安全控制标准。
(2)结合西安及国内外已有的工程经验经验,针对火车站站地下水位高、地面无条件降水的情况,选取合理的车站形式及施工方案。
(3)在充分考虑地层特性以及高地下水位的基础上,以理论解析、数值模拟为主要手段,深入研究车站形式及配套工法的选择,确保施工过程中产生的沉降不影响国铁正常运营。
第2章工程背景
2.1西安市地铁四号线火车站站工程概况
2.1.1西安地铁四号线工程概况
西安四号线线路全长35.2km,共设车站29座,火车站站为第16个车站,五路口站、含元路站为相邻两站。
火车站设计针对以上三站两区间进行了研究,如图2-1所示:
图2-1西安市地铁四号线工程线路示意图
2.1.2火车站站周边环境概况
1)周边道路:
解放路、环城北路、自强路,太华路,自强路未实现规划;环城北路位于火车站南侧,双向8车道,东西走向,在火车站广场段下穿隧道;自强东路位于北面,双向双车道,东西走向。
自强东路与火车站之间为3.5m宽笃臣巷和职工巷相连。
2)建构筑物:
解放路东侧高层:
中国银行大楼13层,钻石国际酒店12层,解放饭店5层;城墙,护城河,地下车库,环城北路下穿隧道,南站房,邮政大楼6层;火车站站场,f3地裂缝等。
f3地裂缝与大明宫南宫墙垂直距离约150m;沿线路方向距望仙门约200m.
3)文物保护:
大明宫遗址为国家级重点文物保护区,车站设置尽量减小对其的影响。
4)国铁西安站改造,西安站改造方案尚处在可研方案阶段。
火车站周边情况如图2-2所示:
图2-2火车站周边情况
2.2工程地质及水文地质条件
2.2.1工程地质概况
火车站车站场地较为平坦,地面高程介于402.20m~402.99m。
本车站地貌单元属洪积二级台地,场地内地层为:
地表分布有薄厚不均的全新统人工填土(Q4ml);其下为上更新统风积(Q3eol)新黄土及残积(Q3el)古土壤;再下为上更新统洪积(Q3pl)粉质黏土、中砂等。
地层各土层的物理力学参数建议值如表2-3。
工程勘察设计参数建议值表2-3
岩土名称
天然重度
压缩模量
变形模量
回弹模量
直剪
三轴剪切
(固结不排水)
三轴剪切(不固结不排水)
土的泊松比
快剪
固快
饱和
快剪
总应力
有效
应力
粘聚力
内摩擦角
粘聚力
内摩擦角
粘聚力
内摩擦角
粘聚力
内摩擦角
粘聚力
内摩擦角
粘聚力
内摩擦角
γ
Es1-2
Es2-3
Es3-4
Es4-5
Es5-6
E0
Ed
c
φ
c
φ
c
φ
ccu
φcu
φ`
cuu
φuu
ν
kN/m3
MPa
MPa
MPa
MPa
MPa
MPa
MPa
kPa
°
kPa
°
kPa
°
kPa
°
°
kPa
°
杂填土
16.0
0.41
素填土
18.0
13
14
16
16
0.38
新黄土
17.5
8.4
7.0
25
19
28
21
20
12
0.31
新黄土
19.0
6.9
6.0
27
17
33
20
35
20
33
24.0
29
8.5
0.33
饱和软
黄土
17.7
2.5
4.5
24
14
25
18
0.38
古土壤
20.0
7.3
9.0
30
30
18
35
22
40
21
38
26
37
9.0
0.31
粉质
黏土
20.4
8.6
11
14
15
14
11
35
41
17
45
21
48
21
41
26
47
11.0
0.30
粉土
20.6
18
0
25
0.29
细砂
20.8
20
0
30
0.26
中砂
21.0
25
0
33
0.26
火车站站地质纵断面图如图2-4。
图2-4火车站站地质纵断面图
2.2.2水文地质条件
场地内地下潜水稳定水位埋深5.30~6.20m之间,相应高程为396.34~397.30m。
根据西安长期水位观测资料,勘察时接近低水位期。
地下水年变幅2m左右。
拟建场地地下水主要赋存于上更新统黄土、古土壤、粉质黏土层及其中的砂夹层中,含水层的厚度大于50m。
砂土夹层透水性良好,本车站揭露的砂层主要为细砂、中砂层。
地下水主要接受大气降水及侧向地下水径流补给。
潜水排泄方式主要为侧向径流排泄。
地下水流向西北。
2.2.3不良地质
1)地裂缝
根据长安大学工程设计研究院完成的《西安市地铁四号线工可阶段沿线地裂
缝勘察阶段报告》及补充报告,f3地裂缝位于车站北侧,大明宫遗址公园与国铁站场之间,西窖洞村下方。
2)施工降水引起的地面沉降
地铁明挖降水时,由于水位降落,土体产生固结沉降,引起周围地面沉降,相应形成以水位漏斗为中心的地面沉降变形区,导致此范围内的建筑、道路、管网等设施因地面沉降而发生倾斜,甚至断裂,影响其正常使用和安全。
采取相应的措施是保证工程施工顺利完成的关键。
3)湿陷性黄土
拟建场地地下水位以上3-1-1层新黄土(水上)具湿陷性。
本车站湿陷性土层厚度小于4.0m,最大埋深为6.5m,本车站自地面算起场地地基湿陷等级为Ⅰ(轻微)级。
4)饱和软黄土
本车站场地内分布有饱和软黄土3-1-3层。
=0.96,流塑,属中偏高压缩性土。
层厚0.90~3.90m,层底深度4.50~8.50m,层底高程394.16~397.84m,是本车站场地的软弱土层。
第三章国铁西安站改造工程与地铁四号线工程的建设关联
3.1国铁西安站改造工程建设
西安国铁改造总工期为60个月,初步计划在2014.12~2016.6(约1.5年)年改造西安东站(目前开工时间暂定于2014.12),于2016.7~2018.6年(约2年)实施西安车站北车场站房、高架候车室、雨棚、地道及北部车场工程。
在2018.7~2019.12(约1.5年)完成拨接正线,开通北车场,封锁南车场后实施南车场地道、高架候车室、雨棚及南站房的适应性改造工程。
改造主要内容为:
(1)在既有车场北侧增设4台7线,车站总规模达到9台18线(不含正线2条);
(2)既有南站房进行适应性装修改造(改造总面积1.7万m2),新建北站房和高架候车室,总面积为4万m2,新建无站台柱雨棚,扩建扩建既有西端出站地道,在车站东端新建1座出站地道兼作市政南北通道;
(3)西安站改扩建工程推荐采用西安本站和纺织城站两站同时过渡的方案,因西安站车场扩建及新建北站房(含高架候车)需要拆除并在西安东还建既有客机段和客车段。
考虑在西安站维持运营的前提下,首先应在西安东完成客机段和客车段的还建后才能将既有设施拆除,其次纺织城站通过扩建具备客运站功能,为西安站车场及站房扩建创造先决条件,另外北站房(含高架候车部分)结合车场扩建需按照南北两部分分步实施。
图3.1-1国铁站改主要内容
3.2西安地铁四号线工程的建设
西安市地铁4号线工程可行性研究报告于2014年4月30日得到陕西省发改委批复,根据工可批复文件,四号线于2014年全面开工建设,2018年底全线贯通运营,地铁四号线全线按此时间节点进行建设筹划安排。
3.3火车站建设工程方案选择
图3-1车站建设工程筹划图
如图3-1车站建设工程筹划可得:
1)先期完成五路口站、含元路站主体,F3地裂缝处暗挖区间实施暗挖竖井,开始暗挖区间作业。
2)180m暗挖区间完成,含元路站小里程端盾构始发,F3地裂缝竖井处盾构吊出,明挖车站主体南段始发,盾构过国铁站场、护城河、南广场,于五路口站右端区间风井吊出。
图3-2车站建设工程筹划表
从图3-2车站建设工程筹划表中可以看出:
按照国铁站改的建设时序推排,地铁4号线2016年运营目标无法实现。
国铁站改启动时间较晚,北侧站场改造时间较长,如果北侧站场改造启动提前1年时间,且缩短北侧站场改造时间,让地铁车站南北侧施工工期可以衔接,2016年底实现运营存在可能。
北侧改造主要内容:
实施西安车站北车场站房、北车场高架候车室、北车场雨棚、北车场地道及北部车场工程。
按照2016年底地铁四号线实现试运营的目标节点倒推,需要国铁站改建设工期做较大幅度调整,具体如下:
1)提前东站站改启动时间至2013.1,或者压缩东站改造时间为1年半,这样可以提前西安站北侧站改启动时间至2015.1。
明挖车站整体工期提前半年。
2)提前实施西安车站北车场站房、北车场高架候车室,目前站房及候车室位于站场北侧车场区、待拆迁区,此部分如果可以提前实施,以此缩短国铁北侧改造工期至10个月左右时间。
这样可以提前西安站南侧站改启动时间至2015.10。
让地铁车站南北侧施工工期可以衔接,2016年底实现运营存在可能。
全明挖同步实施方案工期控制条件:
1)2013年7月地铁四号线全面开工,过地裂缝暗挖区间段拆迁完成;
2)2015年初西安站改启动,同步开始北侧站场改造;
3)2015年10月开始南侧站场改造。
(3)投资估算
1)车站建筑面积19900平米,土建造价约20300万元;
2)拆迁西旅招待所建筑面积2650平米,2650万元;
3)影响国铁雨棚柱13根,约需增加造价约1000万元。
火车站站总造价约2.4亿元。
全明挖同步实施方案工期控制条件较多,国铁站改工期必须由5年压缩到3年半,并计划开工协调难度较大,鉴于两者工期匹配困难,火车站站与国铁同步实施难以实现。
因此,通过国内相关工程实例调研,结合火车站的站址环境,国铁改造建设筹划,经过多轮方案讨论和比选,目前确定以下四种施工方案:
浅埋暗挖法方案、NTR方案、管幕+PBA方案。
第4章浅埋暗挖隧道施工过程地表控制基准
4.1理论依据
地下隧洞的开挖所引起的地表沉降曲线一般称之为“沉降槽”。
在众多的预测地铁隧道开挖引起的地表位移经验方法中,墨西哥学者Peck提出的方法是其中最简便、也是目前应用最广泛的方法,成为预估沉降槽曲线的经典公式。
通过多年的理论和工程实践进行了深入研究,Peck[2]提出了在不排水的情况下隧道开挖的地层损失大小应与地表沉降槽的大小相等。
假如隧道沿线地质条件相同,则在整个隧道长度范围内地层损失是一样的,地表沉降槽沿垂直隧道轴线的横向分布近似为一条正态分布曲线(称S曲线),如图4.1-1,其中
为沉降槽宽度,Cording(美国)等人[3]根据莫尔-库仑理论导出
的关系。
有计算公式
(1)可确定单洞隧道施工引起的地表沉降,有公式
(2)最大沉降值与地层损失的关系。
图4.1-1地表沉降横向预测示意图
(1)
(2)
式中:
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