軟弱地層區(qū)間隧道下穿既有車站施工方案研究

張登科，于鶴然

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

1工程概況

北京地鐵2號(hào)線車公莊站為單層三跨框架結(jié)構(gòu)端頭廳式車站，總長(zhǎng)181.3 m，寬22.3 m，高11 m;底板厚1.3 m、側(cè)墻厚為1.1 m，頂板厚1.5 m;沿車站縱向每25 m設(shè)置一條變形縫。后建6號(hào)線區(qū)間隧道頂部與既有線車站底板間距約2.4 m。其右線隧道位于車站中心南側(cè)20 m處，左線隧道位于北側(cè)30 m處。具體位置關(guān)系見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 平面位置關(guān)系(單位:m)

圖2 立面位置關(guān)系(單位:mm)

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

車公莊站工程范圍內(nèi)地形起伏較大，地面高程47.82～49.15。根據(jù)車站詳勘資料，勘探場(chǎng)地在地貌上屬?zèng)_洪積平原，地層以第四紀(jì)沖積、洪積土層為主;勘察深度車站站址范圍內(nèi)地層由上至下依次為:房渣土層、粉土填土層、粉土層、粉質(zhì)黏土層、細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層、卵石層、粉質(zhì)黏土層、細(xì)砂層、中砂層、卵石層、粉質(zhì)黏土層、卵石層。

根據(jù)勘察資料，在鉆孔深度50 m范圍內(nèi)實(shí)測(cè)一層地下水，為層間潛水，含水層為卵石層、卵石層，含水層主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流和人工開(kāi)采的方式排泄。

根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)展及地鐵建設(shè)管理公司風(fēng)險(xiǎn)源管理體系相關(guān)規(guī)定，換乘通道下穿既有線及在既有站底板開(kāi)洞定為特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，由于既有線建成年代比較久遠(yuǎn)，施工前必須對(duì)下穿施工方案從安全性角度進(jìn)行分析，以保證既有線結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。

3 施工方案可行性及預(yù)期效果分析

3.1 方案介紹

本施工方案中，區(qū)間下穿段施工采用臺(tái)階法開(kāi)挖，增設(shè)臨時(shí)仰拱，并對(duì)隧道周邊土體進(jìn)行深孔注漿，注漿后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度:開(kāi)挖面不小于0.5 MPa，周邊不小于1.2 MPa?？v向注漿范圍為車站前后9.5 m，橫斷面注漿范圍見(jiàn)圖2。隧道施工步驟見(jiàn)圖3。

3.2 方案分析

采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，對(duì)本施工方案全過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算目的在于分析開(kāi)挖“洞室群”的施工過(guò)程對(duì)既有車站建筑的形變影響。

3.2.1 模型建立及本方案施工工序

地鐵車站、開(kāi)挖土體和地層土體均采用的是六面體單元。沿車站縱向，車站變形縫將地鐵車站分割成若干段，模型尺寸81.1 m(沿既有車站結(jié)構(gòu)方向)×60.81 m(垂直既有車站結(jié)構(gòu)方向)×37.57 m(高度)。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，施工順序?yàn)橄仁┕Q乘通道，后開(kāi)挖區(qū)間隧道。因兩條隧道距離較遠(yuǎn)施工過(guò)程相互影響很小，分析中采取2條隧道同時(shí)施工。計(jì)算模型和施 工工序示意見(jiàn)圖4。

圖3 礦山法隧道施工步驟示意圖

圖4 計(jì)算模型及計(jì)算工步示意

既有車站車站結(jié)構(gòu)底板切割及施工工序嚴(yán)格按照?qǐng)D4進(jìn)行。

地鐵車站和周圍土體在自重、地面超載、人群荷載和車輛荷載作用下的初始應(yīng)力狀態(tài)平衡后，采用與設(shè)計(jì)方案完全相同的工序施工。下穿隧道遠(yuǎn)離車站部分掘進(jìn)進(jìn)尺約為4 m/循環(huán)，在車站底部施工時(shí)進(jìn)尺為1.2～1.8 m/循環(huán);上下臺(tái)階施工距離間隔約2個(gè)施工步，二襯施作距下臺(tái)階1個(gè)施工步。

計(jì)算模型中選取的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3.2.2 空間模型沉降分析

(1)新建結(jié)構(gòu)施工引起既有結(jié)構(gòu)最大沉降分析

分析礦山法施工區(qū)間隧道對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)沉降影響，隨施工步變化的最大沉降曲線示于圖5。

經(jīng)過(guò)分析，礦山法施工對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)最大變形量約為3.32 mm(位于側(cè)墻上)，其中大部分沉降值發(fā)生在區(qū)間隧道施工過(guò)程中。

(2)既有車站結(jié)構(gòu)縱斷面、橫斷面沉降分析

既有車公莊車站在區(qū)間隧道及新建通道施工條件下結(jié)構(gòu)的縱向變形，主要選取車站結(jié)構(gòu)底板上變形最大的左邊跨跨中縱斷面、中跨跨中縱斷面、右邊跨跨中縱斷面進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)各施工階段結(jié)束后的沉降變形進(jìn)行分析。

圖5 換乘通道及區(qū)間隧道施工各施工步與車站結(jié)構(gòu)最大沉降量關(guān)系曲線

沉降變化最大的左邊跨跨中縱斷面隨施工步變化的沉降曲線如圖6所示。圖中可以看出，在新建通道施工后，隨著車站底板的左右開(kāi)洞，底板重力減小，車站底板結(jié)構(gòu)沉降整體減小，縱向沉降曲線發(fā)生向上位移的趨勢(shì)，其后對(duì)車站結(jié)構(gòu)變形影響最大的是區(qū)間隧道的施工。

圖6 車站底板左邊跨跨中縱斷面變形曲線

車站結(jié)構(gòu)左邊跨跨中縱斷面最大沉降量約為3.08 mm，出現(xiàn)于左側(cè)下穿隧道上方;在兩隧道中間車站結(jié)構(gòu)的累計(jì)沉降量約為2.99 mm。車站結(jié)構(gòu)的沉降最終基本趨于同一水平線。車站結(jié)構(gòu)中跨跨中縱斷面的最大沉降為2.72 mm。右邊跨跨中縱斷面上最大沉降為2.64 mm。

各橫斷面的測(cè)點(diǎn)隨施工步的推進(jìn)的沉降情況見(jiàn)圖7。其間最大沉降差見(jiàn)表2，從表中可以看出，由于通道并未完全下穿整個(gè)車站，車站底板結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移。將各橫斷面的沉降曲線示于圖7。

圖7 車站底板各橫斷面測(cè)點(diǎn)隨荷載步變化的沉降曲線

表2 礦山法施工關(guān)鍵施工步橫斷面的最大沉降差 mm

(3)區(qū)間隧道施工引起軌道沉降值分析

由于下穿隧道位于車站左線軌道道一側(cè)，故左線軌道受影響略大，應(yīng)作為重點(diǎn)分析對(duì)象。其左右兩根鋼軌的最大沉降發(fā)生在兩下穿隧道正上方，兩軌道的最大累計(jì)沉降分別為3.09 mm和2.91 mm。礦山法施工區(qū)間隧道對(duì)既有車站軌道最大變形量示于表3。

圖8 既有車站軌道在不同施工階段沉降曲線

表3 礦山法施工各軌道縱向最大沉降 mm

從每步工序的最大沉降量可以看出，換乘通道與礦山法區(qū)間隧道施工對(duì)既有車站影響的最大累計(jì)沉降為3.32 mm，發(fā)生在邊墻處。在施工過(guò)程中，區(qū)間隧道施工至車站底部時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎施工，減小對(duì)車站的擾動(dòng)。礦山法隧道施工及新建通道的施工的縱向沉降影響范圍大約在80 m左右。

由于本模型在未考慮鋼軌剛度以及扣軌等加固措施的情況下，得出沉降值與控制值較為接近，故認(rèn)為本施工方案是可行的，對(duì)既有車站的影響程度是可控的。

4 施工過(guò)程概況

車公莊車站于2011年12月8日開(kāi)始正式施工，采用上下臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱工法方案施工，且在粉細(xì)砂層采用超細(xì)水泥漿進(jìn)行超前注漿。超前注漿與開(kāi)挖交替進(jìn)行。2012年3月8日，車平區(qū)間過(guò)既有線左線、右線二襯施工完畢。截止同年5月31日，監(jiān)測(cè)結(jié)果最大值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)成果最大值統(tǒng)計(jì) mm

5 結(jié)論

(1)北京地鐵6號(hào)線車公莊—平安里區(qū)間隧道以及換乘通道下穿地鐵2號(hào)線車公莊車站在下穿段施工中，采用了上下臺(tái)階+臨時(shí)仰拱+深孔注漿工法，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值均未超過(guò)預(yù)警值。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，二者有力表明，經(jīng)過(guò)深孔預(yù)注漿、臺(tái)階法施工的區(qū)間隧道能有效地減小隧道施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，有效地控制了既有結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

(2)在軟弱地層條件下，下穿既有地鐵車站的隧道工程采用上述綜合措施，是行之有效的，既能保證既有線路、既有結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)、使用的安全性，又能大幅度的簡(jiǎn)化施工工序，縮短工期，控制施工成本，為今后類似地鐵近接工程提供一定的借鑒意義。

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