地鐵豎井橫通道下穿既有電車軌道綜合施工技術(shù)研究

楊 高

（中鐵建大橋工程局集團第三工程有限公司 遼寧沈陽 110043）

1 引言

新建隧道下穿既有軌道時，必定會對既有軌道造成擾動，致使軌道發(fā)生沉降［1-4］。當沉降過大時，將會對既有列車的正常行駛產(chǎn)生影響，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致破壞，造成生命財產(chǎn)安全隱患［5-7］。因此，在新建隧道時選擇合適的施工方法并制定相應(yīng)的防護措施，減小對既有軌道沉降的影響，保證其安全性具有重要意義。海濤［8］介紹了深孔注漿加固施工補救措施和既有軌道交通線路應(yīng)急事故處理方案；何夢超［9］等人以福州地鐵1號線盾構(gòu)隧道下穿軌道工程為例，運用故障樹分析方法對軌道變形風(fēng)險進行定量分析；張鵬輝［10］根據(jù)連續(xù)彈性點支承梁模型中路基的差異沉降而導(dǎo)致軌道沉降的計算方法，將地表沉降作為軌道沉降的非線性邊界條件，對軌道沉降進行預(yù)測；王住剛［11］根據(jù)西安市軌道交通L3胡家廟站-石家街站區(qū)間穿越隴海鐵路線中的特殊案例，采取地面沉降和管片上浮控制、監(jiān)控測量等技術(shù)措施，優(yōu)化了施工并取得良好的經(jīng)濟效益；刁偉軼［12］介紹了隧道下穿鐵路中不同的加固方法，總結(jié)了在不同條件下，新建隧道對擬建鐵路區(qū)域的影響。

沈陽地鐵9號線在奧體中心站-奧體東站區(qū)間下穿已有2號線奧體中心站。針對地鐵豎井橫通道下穿電車軌道施工技術(shù)進行了全面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，采用“豎井橫通道交替施工”方案，可以有效控制上部軌道沉降，確保了上部有軌電車的正常運營；提高了支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時給出了優(yōu)化施工方案?；诒疚奶岢龅氖┕し椒按胧Q井與橫通道順利完工，與此同時還取得了極大的經(jīng)濟效益。豎井、橫通道與有軌電車軌道平面布置見圖1。

圖1 豎井、橫通道與有軌電車軌道平面布置

2 工程概況

沈陽地鐵9號線在奧體中心站下穿2號線奧體中心站，向東達到奧體東站。依據(jù)工程計劃，先施工1號豎井和橫通道，進而施工初支和二襯，然后根據(jù)洞門位置，進行超前小導(dǎo)管注漿并施作臨時支撐。待加固完成，開始馬頭門破除施工。

1號豎井施工方法為倒掛井壁法，鋼筋網(wǎng)掛噴混凝土，初噴厚300 mm。單次開挖取0.5 m并架設(shè)格柵鋼支撐。豎井為臨時設(shè)計，最后需進行回填。

圖2 豎井與橫通道剖面圖

以臺階法對聯(lián)絡(luò)通道進行施工，單次開挖0.5 m后架設(shè)格柵鋼支撐，初噴砼厚300 mm。其中豎井、橫通道及區(qū)間隧道的剖面見圖2。

3 下穿施工方案初步確定

豎井轉(zhuǎn)橫通道施工是本區(qū)間工程的重難點，施工難度大、風(fēng)險高，既要使上部結(jié)構(gòu)正常運行，還應(yīng)注意安全施工，防止出現(xiàn)安全隱患。根據(jù)目前相關(guān)的研究成果和工程經(jīng)驗，確定了豎井轉(zhuǎn)橫通道的施工方案，即“豎井-橫通道交替施工”。

該施工方案的具體步驟:第一步，先進行豎井的開挖，開挖至橫通道上臺階底部標高；第二部，進行豎井封底；第三步，將橫通道上臺階連接處井壁破除，繼續(xù)開挖與支護上臺階；第四步，上臺階施工完成后，完成剩余豎井施工；第五部，破除與橫通道下臺階連接的部分井壁，進行下臺階的開挖與支護。

4 有限元分析

為合理分析該方案施工對既有運行電車軌道及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響?；凇柏Q井-橫通道交替施工”的方法，利用有限元軟件對施工全過程進行仿真計算，驗證該施工方案的合理性。

4.1 模型建立

采用有限元軟件對沈陽地鐵9號線十六標段豎井轉(zhuǎn)橫通道施工進行數(shù)值模擬分析，圖3給出了豎井與橫通道施工三維數(shù)值分析模型。其中規(guī)定X軸正向為橫通道掘進方向，Y軸為垂直橫通道方向，Z軸為豎直向上。模型在X、Y、Z三個方向上取尺寸60 m×45 m×40 m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，將粉質(zhì)黏土、礫砂和圓礫三種地層簡化為均質(zhì)水平層狀分布，厚度分別為2.5 m、27.5 m、10 m。數(shù)值模擬中，地層采用六面體實體單元；豎井與隧道初期支護為殼單元，厚度300 mm；格柵鋼架按實際尺寸采用實體單元模擬；軌道基礎(chǔ)為500 mm素混凝土+400 mm卵石基層，鋼軌為一維線單元。整個模型共劃分單元36 535個，節(jié)點14 049個。除地表是自由邊界外，模型其余邊界均為法向約束。

圖3 豎井、橫通道施工有限元模型

根據(jù)沈陽地鐵9號線十六標段區(qū)間勘察資料，土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。地層巖土體計算模型采用Mohr-Column本構(gòu)模型；支護和臨時支撐中由于包含鋼拱架、金屬網(wǎng)、混凝土等，其本構(gòu)模型采用等效模型；豎井-橫通道結(jié)構(gòu)與鋼軌材料均視為彈性體，物理參數(shù)如表2所示。

表1 土體基本物理力學(xué)指標

表2 構(gòu)件力學(xué)指標及相關(guān)參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 有軌電車軌道沉降分析

圖4為模擬施工完成后既有軌道與軌道基礎(chǔ)所產(chǎn)生的沉降云圖。從圖4可以很直觀地看出，該施工方案引起的最大沉降量出現(xiàn)在橫通道下穿既有軌道區(qū)域，隨著既有軌道與橫通道的水平距離不斷增大，軌道的沉降量越來越小，但總體的沉降量相差不大，最大沉降值為-1.02 mm。

圖4 基礎(chǔ)與軌道豎向位移云圖

為研究施工造成既有電車軌道沉降，本工程采用了智能檢測，并將監(jiān)測點布置在橫通道正上方四條鋼軌節(jié)點處。沉降觀測點的位置見圖5。圖6給出了各觀測點的沉降位移隨著開挖施工的變化規(guī)律。從圖6可以看出，豎井第一步施工對既有軌道的影響不大，沉降值約為-0.08 mm；但隨著橫通道上臺階的施工，既有軌道的沉降速率增大，最大沉降值增長到-0.06 mm；在豎井與橫通道下臺階施工過程中，既有軌道的沉降速率變緩，當該方案施工完成后，產(chǎn)生的最大沉降值約為-1.02 mm。

圖5 測點分布

圖6 測點沉降位移變形曲線

由上可知，采用該施工方案進行豎井轉(zhuǎn)橫通道施工時，對控制既有運行電車軌道變形數(shù)值和速率能取得更好的效果，使得既有運行電車軌道所產(chǎn)生的沉降值均符合安全要求，保證了有軌電車可正常運行。

4.2.2 支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

地下工程建設(shè)過程中，通過觀察支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，能夠清楚地預(yù)知圍巖的應(yīng)力變化。因此，在選擇安全、適宜并可行的施工方案時，支護結(jié)構(gòu)位移變形與應(yīng)力變化情況的研究作為必不可少的一部分，有助于決策者做出合理判斷。圖7為完工后支護結(jié)構(gòu)位移云圖。從圖中可以看出，在該方案中，馬頭門仰拱處出現(xiàn)最大位移變形，最大值達到3.962 mm。對于橫通道，拱頂及仰拱位移基本在2.98～4.12 mm之間，總體來說，支護結(jié)構(gòu)位移滿足要求，穩(wěn)定性較好。

圖7 支護結(jié)構(gòu)位移云圖

表3為該方案進行施工引起的橫通道不同部位位移分量值。由表可知，施工引起馬頭門拱頂在水平向和豎向的位移分別為3.18 mm和-0.49 mm，仰拱部位分別為-5.54 mm、3.52 mm，兩處的位移變形無太大差異。

表3 馬頭門仰拱處和拱頂處的水平和豎向位移

5 豎井與橫通道施工措施

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，經(jīng)過綜合分析，該工程選擇交替施工方案進行施工。主要重點如下:

（1）在豎井施工中，需在井口位置設(shè)置長為8.8 m、寬7.4 m的鎖口圈梁。開挖采用人工和機械開挖相結(jié)合方式，開挖至鎖口圈梁底部以下0.1 m。

（2）開挖豎井部土體。地表下5 m范圍的土體人工進行開挖，5 m以下的土體以機械與人工相配合的方式進行開挖，每向下開挖0.50 m便隨即架設(shè)一榀格柵鋼架，然后噴射C25混凝土加固井身。開挖方法在無特殊地質(zhì)時采用全斷面法，而遇到地質(zhì)情況不良和有水情況，需分塊，見圖8（1、3、5、7為開挖順序；Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ為格柵鋼架架設(shè)順序）。

圖8 開挖支護順序

（3）打設(shè)錨桿。凈空滿足要求后，開始以與井壁相差15°的角度打設(shè)鎖腳錨桿。在混凝土初噴之前、錨桿打設(shè)之后，給井壁施作一層鋼筋網(wǎng)片，噴300 mm厚混凝土封閉，增加井壁在裸露環(huán)境中的安全性。

（4）封底施工。開挖到橫通道上臺階時，要對豎井封底。噴25 mm厚混凝土，終凝后，進行層鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)，并架設(shè)外圍格柵鋼架，最后完成封底作業(yè)。

（5）馬頭門及橫通道上臺階施工。對馬頭門拱頂部分進行超前支護，然后再破除井壁支護結(jié)構(gòu)進行土方開挖?？紤]到橫通道上臺階開挖對地表沉降的影響較大，因此，在嚴格控制進尺為0.5 m的同時，先以超前小導(dǎo)管注漿對土體加固。

（6）橫通道上臺階施工完成以后，開始堵頭墻施工。

（7）豎井剩余部分與橫通道下臺階施工。

6 結(jié)論

本文以沈陽地鐵9號線十六標段1#豎井及1#橫通道下穿沈陽有軌電車2號線為工程背景，進行了系統(tǒng)的施工技術(shù)分析和既有結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分析。結(jié)果表明，采用“豎井橫通道交替施工”方案，一方面可以有效控制有軌電車軌道沉降，確保有軌電車正常運營；另一方面可以保證豎井與橫通道支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全。在此基礎(chǔ)上，本文提出了該施工方案下具體的施工要點。以上研究為現(xiàn)場施工提供了理論指導(dǎo)，確保了項目的安全順利完工，并取得了極大的經(jīng)濟效益。