Risk identification and risk mitigation during metro station construction by enlarging shield tunnel combined with cut-and-cover method

Constructing a metro station by enlarging shield tunnels combined with a mining/cut-and-cover method provides a new method to solve the contradictions of construction time limits of shield tunnels and stations. As a new-style construction method, there are several specific risks involved in the construction process. Based on the test section of Sanyuanqiao station on Beijing metro line 10, and combined with the existing methods of risk identification at present, including a review of world-wide operational experience of similar projects, the study of generic guidance on hazards associated with the type of work being undertaken, and discussions with qualified and experienced staff from the project team, etc., the specific risks during the construction process of the metro station constructed by enlarging shield tunnels combined with the cut-and-cover method are identified. The results show that the specific risks mainly come from three construction processes which include constructing upper enclosure structures, excavating the soil between shield tunnels and demolishing shield segments. Then relevant risk mitigation measures are put forward. The results can provide references for scheme improvement and a comprehensive risk assessment of the new-style construction method.

黄土地区PBA法暗挖车站快速施工关键技术研究

西安地铁何家营站是首次将“上四下二”六导洞PBA开挖工法应用于黄土地区的地下暗挖车站。群洞开挖本身具有较高的安全风险,而本项目工期紧张,需加快施工进度。利用MIDAS GTS NX对原导洞开挖方案进行优化,采用了上、下部导洞同时开挖、错距进行的方法。通过对比分析,结果表明:采用优化方案开挖时,地表沉降较小;上部边导洞的拱顶竖向变形明显增大,其余导洞的竖向变形均略小于原方案;上部边导洞的初支结构弯矩有小幅增长,其他导洞初支结构弯矩略有减小。通过技术经济指标对比分析,优化开挖方案在确保安全的前提下,能够极大提高施工效率,有效节约工期和费用。现场按优化方案开挖完成后,实测地表沉降未超出施工控制要求,且与计算结果较为吻合。

PBA法地铁车站全过程沉降规律及控制优化研究

以沈阳某地铁车站工程为依托,建立三维数值模型,对PBA法六导洞双跨地铁车站施工全过程沉降规律展开研究,采取相应措施控制地表沉降。研究表明,地表沉降随着施工进度推进而增大,随着与车站中心距离的增大而减小;沉降曲线以车站中线为轴呈对称状态,影响范围为车站中线两侧40m左右。整个施工阶段导洞开挖对地表沉降的影响最大,扣拱施工次之,两者引发的地表沉降比例高达89.21%。导洞施工顺序在施工过程中引起的沉降最小;导洞开挖进尺越短对地层扰动越小,施工过程中引起的地表沉降越小。

PBA暗挖车站施工近接南水北调暗涵地表沉降研究

北京地铁12号线四季青站工程采用洞桩法施工,应用迈达斯GTS NX数值模拟软件,对四季青站近接南水北调暗涵进行数值模拟。模拟了四种不同的导洞施工顺序,并将模拟结果与实地监测值进行对比,两者较为吻合。研究结果表明:施工方法的选择对于减少地表沉降和既有暗涵变形沉降具有重要影响,四季青站为双层单柱双跨岛式车站,“先下后上-先两边后中间”是最优的施工顺序;在导洞开挖和初支扣拱阶段地表沉降较大,施作顶底纵梁和灌注桩以及土体分层开挖阶段所引起的地表沉降较小。研究开挖过程中地铁车站和南水北调暗涵上方的地表沉降对保障施工顺利进行具有重要意义。

新建车站采用PBA法密贴下穿既有车站施工时对既有车站结构变形的影响规律

[目的]新建车站密贴下穿既有车站施工时,会对既有车站结构变形产生影响,需研究其影响规律。[方法]依托北京地铁6号线苹果园站密贴下穿既有车站工程,采用GTS-NX有限元分析软件建立有限元模型。通过与实际监测结果的对比,验证了有限元模型的计算准确性。基于有限元模型计算结果,研究了PBA(洞桩)法施工对既有车站的影响,并分析了既有车站的存在对地面沉降的影响。[结果及结论]在PBA法施工过程中,对既有车站轨道结构及既有车站结构影响较大的施工阶段为导洞开挖阶段及二次衬砌扣拱阶段;越靠近既有车站,地面沉降值越小;在监测断面位置相同时,既有车站结构断面越大,地面沉降越小;在既有车站断面尺寸相同时,越靠近新建车站开挖中心线,地面沉降值越大;既有车站影响范围与既有车站结构的断面尺寸有关。

新型PBA工法初期支护施工地层沉降规律研究——以北京某地铁站为例

PBA(pile-beam-arch)工法施工过程中地层沉降主要集中在初期支护施工过程。新型PBA车站是在传统单层4导洞PBA车站的基础上,将中间导洞联合,共用中隔壁,形成由CD法(中隔壁法)施工的大断面。初期支护施工过程地层沉降规律难以掌握。为了研究地层新型PBA车站初支施工过程地层沉降规律,依托北京采用新型PBA工法施工的某地铁车站,运用Peck理论、有限元数值分析和现场监测相结合的方法,对该车站新型PBA工法初期支护施工过程地层沉降规律进行分析。研究成果可为今后相同车站施工提供借鉴。

北京地铁粉质黏土地层新型PBA车站沉降规律研究

PBA(Pile-Beam-Arch)工法已成为北京地区繁华路段地铁暗挖车站的主流工艺,但因其工序转换复杂,施工流程步序多,易引起地层沉降。新型PBA工法是在单层4导洞PBA工法的基础上,将中间导洞联合,共用中隔壁,形成CD法(中隔壁法)施工的大断面导洞,相较于传统双层8导洞PBA工法以及近些年推广的单层4导洞PBA工法,地层沉降规律难以掌握。以北京地铁22号线甘露园站为依托,运用有限元数值分析软件模拟车站施工过程,结合现场实测数据分析粉质黏土地层新型PBA车站地层沉降规律。结果表明:粉质黏土地层新型PBA车站施工过程沉降最大发生在开挖面拱顶上方;地层沉降主要发生在导洞开挖与扣拱阶段,约占整体总沉降的89.5%;受中导洞形式影响,导洞施工阶段造成的地层沉降比传统PBA车站要大。

PBA工法装配式地铁车站结构设计关键技术研究

PBA工法为修建地铁车站的常用方法,存在工序复杂、施工周期长和作业环境恶劣等问题。因此提出装配式地铁车站方案,得到适用于PBA工法的地铁车站二次衬砌结构分块方案和兼顾预制衬砌装配的安装工序。通过数值模拟建立车站结构的“梁-弹簧”模型,对比不同衬砌厚度、转动刚度的现浇与装配式车站受力变形差异,得到PBA地铁车站的装配式优化方案。计算结果表明:扣拱及边墙厚度为0.8m、底板厚度1m时,装配式车站结构受力变形情况与现浇式车站最接近;在对转动刚度与结构受力变形关系的研究中发现,当转动刚度达到5×10^(5)kN·m/rad后装配式车站结构受力和变形基本稳定;对比同一厚度下装配式车站结构与现浇式车站结构的受力变形,发现转动刚度取值为5×10^(5)kN·m/rad时装配式车站结构底板弯矩及变形小于现浇式车站,弯矩最大减幅达到36.3%,变形最大减幅达到10.8%,说明适宜的转动刚度可以有效优化装配式车站结构底板处的受力变形特性;综合考虑车站个部位预制衬砌载荷情况,确定了车站各部位预制衬砌的配筋及接头尺寸。对比传统PBA工法,装配式地铁车站PBA工法提高了施工效率、车站结构受力变形性能,节约了成本。

粉细砂地层PBA工法地铁车站管幕法超前支护施工技术

针对在粉细砂地层中,矿山法施工极易引起坍塌,而传统的超前小导管、深孔注浆、管棚等超前预支护措施,在粉细砂地层中难以达到地层加固效果的问题,结合北京地铁12号线蓟门桥站T型换乘节点进行研究,根据施工风险分析,采用管幕法超前支护方式,优化施工工艺,设计施工参数,明确施工控制要点,并经监控量测结果反馈,表明采用管幕法超前预支护,满足施工风险控制要求,同时为后续工程在粉细砂地层中管幕法超前预支护施工提供一定的参考借鉴。

暗挖地铁车站PBA工法边桩施工分析

洞桩法是由桩、梁、柱共同形成的受力体系,其适用于城市地面施工空间少、跨度大的地铁车站施工中。边桩施工是洞桩法施工中较为重要的工序。因此,该文以沈阳三号街站暗挖洞桩法(Pile-Beam-Archmethod,PBA)地铁车站为工程背景,分析了车站主体结构施工存在的风险源,并对人工挖空护壁、泥浆拌制、桩成孔质量检查以及边桩管柱等边桩施工工艺进行了阐述。以期为同类工程提供借鉴。

黄土地区洞桩法地铁车站边桩和中柱的受力变形机理

[目的]为了确保黄土地区洞桩法车站施工过程中重要竖向承重构件的稳定性,需要对施工过程中边桩和中柱的受力变形机理进行研究,并对最不利受力阶段边桩和中柱提出变形控制措施。[方法]以西安地铁2号线何家营站为研究背景,通过数值模拟与现场监测的方法,对施工过程中边桩的水平位移、钢筋内力、水平土压力及中柱应变展开研究。[结果及结论]扣拱施作以及站厅层和站台层土体开挖是边桩水平位移最不利的三个阶段,在这些关键阶段施工时,应在结构内部架设钢支撑并适当加固已扰动的地层;在桩梁和扣拱施作中,边桩主筋承受轴向压力,而在站内剩余土方施工阶段,边桩背土侧的钢筋由轴向压力逐渐转化为轴向拉力,且随着边桩埋深的增大,钢筋的轴向拉压力增长变缓;在扣拱初期支护施作中,土压力在边桩埋深6.6 m处达到最大值34.5 kPa,且随着边桩埋置深度增大,边桩的桩侧压力增长速率显著,因此车站内侧的土方开挖是控制边桩迎土侧土压力大小的关键阶段,必要时对桩后土体进行注浆加固有利于提高桩基的承载力;中跨扣拱施工时,中柱的应变呈现出先减小、后增大的趋势。

EVA卷材在浅埋暗挖PBA工法地铁车站中的铺设工艺

北京地铁3号线某换乘车站采用暗挖PBA工法逆筑施工,车站主体结构采用防水混凝土进行结构自防水,外包EVA防水板柔性防水层,并对阴阳角、甩槎接槎、施工缝等细部节点部位进行了防水处理,刚柔结合、细部节点保障的施工方案确保了防水效果。

砂卵石地层浅埋地铁车站暗挖施工关键技术

研究目的:针对富水砂卵石地层地铁车站明挖法施工面临的道路交通问题,本文依托成都富水砂卵石地层首次采用暗挖法施工地铁车站的成功案例,对暗挖法施工关键工艺开展研究,指明了暗挖导洞设置及其开挖时序、地层超前预加固方式、初期支护类型、永临结合钢管柱以及拱形盖板扣拱等关键工艺,明确了富水砂卵石地层浅埋大跨地铁车站首次采用暗挖法施工的可行性。研究结论:(1)基于“化整为零”的思路,借助大刚度管幕超前支护,明确了导洞设置原则,采用多导洞法实施钢立柱与盖板(顶板)后,可按盖挖法理念完成超浅覆土下的地铁车站暗挖施工;(2)浅覆土管幕打设精度与地层扰动控制是富水砂卵石地层沉降控制的关键,应遵循“精准定位、及时纠偏,欠土顶进、严控超挖,先低速后匀速”的基本原则;(3)基于初期支护主要以被动承载为主,格栅钢架经济性好、施工方便,喷混后抗弯刚度增幅将近8倍,且大于工字钢喷混后等效抗弯刚度,宜采用格栅钢架;(4)顶部预埋倒L形钢板的“蛇形”中立柱,可实现两侧衬砌结构的有效连接与水平向有效传力,液压反循环钻机可满足小净空条件下高精度永临结合钢管柱施作需要;(5)本研究结论可为类似地层暗挖法车站施工提供借鉴与参考。

PBA法扩挖大直径盾构隧道修建地铁车站时结构关键节点的受力分析

北京地铁14号线东风北桥站至阜通东站区段隧道采用土压平衡盾构修建,并采用PBA(PileBeam-Arch)法小规模暗挖拓展形成地铁车站。将扩挖过程中车站结构的关键节点分为管片接头、K管片分块连接处、纵梁与管片连接处以及主拱初支与K管片连接处4类。根据关键节点的结构形式,采用三维非连续接触模型模拟施工过程,分析关键节点的变形和内力。结果表明:管片接头和K管片分块连接处变形满足要求;施工过程对管片内力重分布影响很大,部分连接螺栓超出抗拉强度;顶纵梁与顶管片连接处在对称开挖情况下未产生相对滑移,但有略微分离现象,造成顶纵梁抗剪键超出抗拉强度;底纵梁和底管片连接处未出现相对滑移和分离;主拱初支与K管片连接处的焊缝强度满足要求。由此可见,本工程中车站结构基本处于稳定状态,只有局部需要加强。

PBA法扩挖大直径盾构隧道修建地铁车站地表沉降控制

北京地铁14号线试验段采用土压平衡盾构修建,并结合PBA(Pile-Beam-Arch)法小规模暗挖拓展区间隧道形成地铁车站.这种工法可以有效地解决地铁车站和盾构隧道施工之间的矛盾,但没有经验可以借鉴.综合运用预测地表沉降的经验公式、相关统计资料和规范及数值模拟方法,对PBA法扩挖大直径盾构隧道修建地铁车站的过程进行地表沉降分析.结合北京地铁车站地表沉降控制基准值和现有地铁车站地表沉降统计数据,提出地表沉降控制标准,并按照三级控制的管理方法,分级分步进行地表沉降控制,研究结果对工程施工有一定的参考价值.

地铁车站PBA法施工诱发的地表及桥桩沉降规律研究

研究目的:以北京地区某复杂条件下暗挖地铁车站工程为依托,通过FLAC模拟预测的地表及桥桩沉降规律与现场实测数据的对比分析,得到PBA法修建地铁车站诱发的地表及桥桩的沉降规律,为暗挖地铁车站的信息化施工提供技术支撑。研究结论:(1)FLAC模拟表明,随着导洞的开挖,地表产生的沉降量逐渐增加,由桥上部荷载及自重对地表土层产生的影响,在开挖初期对地表沉降起着主要作用,沉降槽曲线逐渐由双峰变为单峰,最大地表沉降位于导洞开挖的中心线位置,预测的最大沉降值和现场实测值分别为24.75 mm和25.51 mm,桥桩最大沉降量预测值和实测值分别为5.11 mm和5.89 mm,两者基本一致;(2)暗挖地铁车站PBA法施工方案和现场监测方案设计合理,地表及桥桩的沉降满足规范要求;(3)该研究成果可为地质条件差、断面大的类似暗挖地铁车站提供施工和监测参考。

基于乘客行为探讨大客流地铁车站站台宽度计算方法

[目的]根据GB 50157—2013《地铁设计规范》计算出的大客流地铁车站站台宽度偏小,难以消化巨量的客流压力,基于乘客在站台的行为特征提出一种新的站台宽度计算方法。[方法]介绍了现行站台宽度计算方法,并对其与大客流车站站台实际客流进行偏差分析;设置列车未到站和列车进站后两种工况,提出大客流车站站台宽度计算方法;以西安某大客流地铁车站为例,对所提站台宽度计算方法进行实例测算。[结果及结论]鉴于部分车站高峰时段与城市高峰时段不一致,站台宽度计算公式引入车站偏差系数,以车站高峰小时作为确定站台宽度的计算时段。若车站为换乘站,两股分支客流之间存在对向干扰,引入对向干扰系数。站台客流在列车到站后经历了4个阶段,第2阶段对站台占用需求最大,并呈“块”状静止和“线”形移动两种客流特征。与现行规范的站台宽度计算方法相比,所提站台宽度计算方法对大客流车站具有更好的适应性。

北京地铁粉细砂层PBA车站沉降规律研究

PBA工法工序转换复杂,易引起地表沉降,不同地层条件下的沉降规律难以掌握。尤其在含水粉细砂地层等不良地质条件下的地表沉降难以控制,对周边环境造成一定安全隐患。为研究粉细砂地层PBA车站沉降规律,通过调研北京地铁粉细砂地层PBA车站分布情况,基于监控量测数据分析不同降水条件下PBA车站地表沉降规律,并依据有限元方法进行计算验证,研究表明:1)大于相应地表沉降值的发生概率与地表最大沉降值的关系符合正态分布,有效降水和未有效降水车站地表最大沉降值分别为-85.31^-93.29 mm、-126.16^-131.35 mm,由数据拟合得出地表最大沉降值超过-60 mm的概率分别为53.30%、74.96%;2)沉降变形主要发生在导洞施工及扣拱施工阶段(约占90%),上导洞施工、下导洞施工、梁柱体系施工、扣拱施工阶段沉降比例约为4∶3∶1∶2;3)沉降槽与Peck曲线趋近一致,沉降槽宽度系数在9.82~15.51 m,有效降水车站的沉降槽宽度系数比未有效降水车站的大3~5 m;4)地层损失率普遍在0.56%~0.70%,沉降槽宽度参数受降水效果影响显著,普遍在0.51~0.89。研究结论可用于初步判断粉细砂层PBA车站的地表最大沉降。

PBA工法扣拱施工顺序的优化分析研究

合理的扣拱施工顺序是PBA工法施工地铁车站的关键.以北京地铁6号线东大桥站为依托,采用三维有限差分方法 FLAC3D研究了PBA工法中不同扣拱顺序下地表沉降与结构力学行为的影响.研究结果表明:先中后边的扣拱施工顺序下,产生的地表沉降与结构受力均较大,但中柱柱顶的侧移可以得到有效控制.并进一步提出扣拱施工顺序选取的原则,研究结果对PBA工法扣拱顺序的设计与施工具有一定指导意义.

大直径土压平衡盾构及其车站PBA法扩挖技术

为克服城市复杂环境下地铁车站和常规双线隧道布局受限难题,建立采用大直径盾构建造地铁单洞双线区间,并在盾构隧道基础上小规模扩挖形成车站的建设新思路。以北京地铁14号线东风北桥站(不含)—将台站—高家园站—望京南站(不含)为背景,介绍利用外径为10.22 m的大直径盾构进行区间隧道施工以及在区间隧道成型基础上采用洞桩法(Pile-Beam-Arch,PBA)扩挖地铁车站的施工工艺和技术,重点介绍区间与车站施工衔接工序(穿越风道)和管片拆除等关键技术。工程实施结果表明:大直径盾构施工及其暗挖车站扩挖技术是一种工艺新颖、技术先进、安全可靠的集成建造技术,且对周边环境影响受控,是值得进一步推广应用的施工工法。