新建地鐵密貼下穿既有車站暗挖段施工技術研究

王力功

(中鐵十二局集團第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 引言

隨著當今城市的不斷建設和發(fā)展，合理開發(fā)利用深層地下空間已成為緩解城市空間資源壓力的有效途徑[1-2]，但逐漸出現(xiàn)不同構筑物穿越、交叉與臨近地鐵線路現(xiàn)象，建設時出現(xiàn)的近距離施工問題引起諸多研究人員的關注[3]。趙偉[4]采用結構概念分析的方法，研究了洞樁法密貼下穿既有地鐵車站施工過程的力學特性及其關鍵控制環(huán)節(jié)。王乃勇[5]采用FLAC3D數(shù)值模擬分析了雙線盾構施工對公路路面、路塹邊坡的影響規(guī)律。曾鐵梅等[6]提出了一種基于Pair-Copula貝葉斯模型的盾構下穿既有隧道施工風險評價方法。馬相峰等[7]基于鋼花管地層注漿實踐，證明地層注漿加固對控制路基沉降的有效性。周丁恒等[8]建立了暗挖隧道下穿京張隧道三維有限元數(shù)值模擬，總結了京張高速鐵路隧道豎向位移和橫向位移隨施工步變化特征。陳志敏等[9]對福州市某超淺埋隧道管線沉降規(guī)律展開研究，并制定安全可行的管線控制基準。張宏等[10]研究呼和浩特市在建地鐵2號線隧道盾構掘進過程對上跨地道基坑穩(wěn)定性影響規(guī)律。高利宏[11]重點分析了某新建盾構隧道新建左、右線依次穿越過程中既有雙線隧道沉降變形規(guī)律。宋洋等[12]對比研究了泥水平衡盾構在全斷面泥巖地層段和圓礫泥巖復合地層段中的掘進參數(shù)。

綜上所述，目前對于不同地下構筑物的臨近、交叉已有相關研究，但對于不同地鐵線路的下穿直接影響研究仍然缺乏，為此本文以徐州市軌道交通2號線和6號市政府站為工程背景，研究新建6號線地鐵下穿既有線路暗挖段施工技術，為類似工程結構設計與施工提供重要參考。

2 工程概況及重難點分析

2.1 項目概況

徐州市軌道交通2號線市政府站為與6號線進行換乘的換乘車站，為地下兩層11 m島式站臺車站，標準段為單柱雙跨鋼筋混凝土箱形結構型式。車站有效站臺中心里程處底板埋深約16.6 m，凈長203 m，標準段凈寬18.3 m。暗挖段襯砌斷面如圖1所示。

圖1 暗挖段襯砌斷面圖

車站采用明挖順做法施工，目前市政府站2號線車站主體結構、附屬已全部施工完成。本次實施的6號線車站暗挖段位于昆侖大道與漢風路交叉路口西北象限，密貼2號線已建成車站底板，南北走向。斷面形式為平頂直墻斷面，二襯外包尺寸為6.41 m×6.4 m，暗挖段有效長度為22.7 m，線間距16 m，凈間距為8.3 m，結構頂板埋深約17.3 m。暗挖段結構穿越地層主要為②5-3砂質粉土，穩(wěn)定水位埋深約3.3 m，采用CRD工法開挖，車站暗挖段北端接6號線車站盾構井，南端接遠期6號線車站。暗挖段只是下穿已經(jīng)施工完成的2號車站，長度為22.7 m，施工區(qū)域為原有市政府站場地，該范圍的管線已全部遷移。在暗挖段的東北側為綠地商務樓，水平距離為57 m，北側為在建的永嘉中心廣場地下商場中心，水平距離約為25 m，其余建筑物都離得較遠。

場地地貌類型為廢黃河高漫灘，淺部15～30 m以淺黃河及古河道沖積的粉土、粉質黏土等堆積而成，其下為河流沖洪積老黏土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)王氏組粉砂巖、礫巖。本站場范圍內的不良地質主要為地震液化。液化土層:暗挖段開挖范圍內的②5-2、②5-3層砂質粉土為可液化土層，場地地基液化等級為中等。

場地范圍內地下水為第四系粉土層中的孔隙潛水-弱承壓水及基巖裂隙水。市政府站抗浮設計水位采用地面以下0.5 m，標高為39.32 m，6號線暗挖段采取相同設防水位。市政府站施工已將地下水降至車站結構以下1 m，并且地下連續(xù)墻插入⑤3-4黏土中，基本切斷②5-3砂質粉土承壓水層與周邊地表水的水力聯(lián)系，對本工程暗挖隧道有利。

2.2 工程重難點

(1)支護結構可能存在加固盲區(qū)

暗挖段穿越地層為沙質粉土層，極易液化，且為富含水層，具有微承壓性，在開挖過程中，因全斷面注漿加固可能存在加固盲區(qū)，在開挖過程中有可能突泥涌水，造成車站主體受力改變和下沉，暗挖段塌方。

(2)暗挖段對既有車站的變形、沉降影響大

車站暗挖段緊鄰2號線車站底板施作(初支緊貼底板墊層150 mm)，對既有車站受力、變形、沉降影響較大。嚴格控制進尺，分工序分部開挖，及時封閉初期支護。

3 密貼下穿暗挖段施工技術

暗挖段位于北側6號盾構井1 m厚地連墻＋2號線0.8 m厚地連墻與南側2號線車站主體0.8 m厚的地連墻中間。6號盾構井主體為暗挖段工作井，目前已施工完成，2號車站南側為后期實施。

3.1 施工總體方法與步序

在地連墻上安裝防滲漏套管，然后采用全斷面分區(qū)域超前加固，待達到強度后，對于兩道地連墻進行鑿除，鑿除后進行暗挖段開挖，開挖采用CRD施工。首先根據(jù)施工現(xiàn)場情況，完善臨建設置，開挖輪廓線外4 m以內全部采用全斷面注漿加固，加固完成后，進行取芯檢測加固的質量，待加固質量達到設計參數(shù)要求后，開挖前條件驗收合格后，對第一堵地連墻開挖輪廓范圍內一次性鑿除，第二堵地連墻進行分塊鑿除。暗挖采用CRD法，共分4個小洞室開挖，左上洞室地連墻鑿除及開挖，及時施作初支，待左上洞室開挖2 m，破除左下部分地連墻，并進行初期支護施工，其次待左下洞室開挖2 m后，破除右上部地連墻、開挖及初期支護施作，最后待右上洞室開挖2 m后，破除右下部分地連墻，密排施作右下部分地墻處初期支護，之后進行右下洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支，初支封閉成環(huán)后及時進行初支背后注漿，待初支收斂后，中隔墻進行二次襯砌施工，待左線貫通至南側地連墻后，施作防水層，澆筑左側封堵墻，同理施工右線。

3.2 地連墻鑿除施工

地連墻破除采用破碎錘進行分層剝除，鑿除時邊線應當控制在離結構線20 cm左右，后期采用人工風鎬進行修邊，防止破壞結構。

(1)地連墻分塊劃分

第一道地連墻(6號盾構井)開挖面以內一次性破除，且需按照洞口預留邊線進行破除8.4 m×7.73 m，第二道地連墻(2號主體結構)采用分8塊進行鑿除，分塊按照地連墻接縫及導洞尺寸進行劃分，如圖2所示。

圖2 地連墻破除分塊劃分

(2)地連墻拆除施工工序

先試破除①部分地墻，若掌子面穩(wěn)定，進行后續(xù)施工；若掌子面涌水涌砂，焊接鋼筋網(wǎng)片于地連墻上，再進行噴射混凝土封堵掌子面，若涌水涌砂嚴重則采用澆筑快干混凝土封堵，再采取注漿補償加固。破除②部分地連墻，噴混、施作地墻處初期支護及臨時橫撐和豎撐。待左上導洞開挖2 m后，緊跟破除③④部分地連墻，密排架設地墻處初支、噴混。依次按照上述施工方法破除⑤⑥、⑦⑧部分地連墻。待地連墻完全破除后，拆除地墻處的豎撐和橫撐，及時施作洞口環(huán)梁，確保洞口安全。

(3)暗挖洞口段的主要措施

進洞3 m范圍密排12榀初支鋼架，鋼架間距為25 cm，保證進洞時洞口處安全。將地墻鋼筋與初支鋼架焊接牢固，鋼架之間采用φ22縱向連接筋焊接，滿足雙面焊接120 mm。地連墻全部破除后，拆除地連墻范圍內豎撐和橫撐，及時施作洞口環(huán)梁，加強支護剛度。破除地墻時，根據(jù)開挖掌子面穩(wěn)定情況，必要時封堵掌子面，進行補償注漿加固或其他措施。

(4)地連墻破除措施

為防止地連墻破除振動過大造成未加固土體液化和6號盾構接收井主體結構永久性開裂及損壞，采取以下措施:

①為避免破除過程中，對結構底板造成開裂及底板以下土層造成液化，故破碎錘作業(yè)范圍內鋪設輪胎，鋪設面積50 m2；②為避免第一堵地連墻破除過程中，對6號預留盾構接收井主體側墻及中板造成開裂，經(jīng)現(xiàn)場試破確定，若需要則預先用水鉆在結構邊150 mm處，開直徑100 mm孔，間距250 mm，孔深1 m，可共用注漿孔，左線同右線如圖3a所示；③為避免第二堵地連墻破除過程中，對2號這站底板造成開裂及未加固土體液化，加大支護外部壓力，經(jīng)現(xiàn)場試破確定，若需要則預先用水鉆在結構邊150 mm及開挖導洞邊線處，開直徑100 mm孔，間距250 mm，孔深0.8 m，可共用注漿孔，左線同右線如圖3b所示；④緊貼預留洞口邊線剩余地連墻采取人工破除及修邊。

圖3 右線一、二堵地連墻水鉆布孔

3.3 注漿加固施工

(1)注漿區(qū)域劃分

按照地層特性、加固強度及抗?jié)B等級的要求，劃分A區(qū)域(隧道開挖斷面及中隔柱區(qū)域)、B區(qū)域(開挖斷面底部影響區(qū))、C區(qū)域(開挖輪廓線左右兩側區(qū)域)，形成帷幕注漿加固圈。在平面施工順序方面，應首先完成C區(qū)外插注漿孔及管棚孔施作，由下向上次序，跳孔施作。在保證結構安全性的同時盡量減少后續(xù)注漿作業(yè)對臨近結構的影響。其次，完成底部B區(qū)域的加固處理，使開挖局域具有堅實穩(wěn)固的持力地基。最后，完成兩通道A區(qū)域的加固，由下向上間隔布置。注漿加固區(qū)域劃分如圖4所示。

圖4 注漿加固區(qū)域劃分

(2)注漿孔設置

在沿加固長度方向上進行分析，A、C兩區(qū)由于受到加固體性能要求，以及上界面和左右界面施作空間的限制，注漿孔均設置為水平孔形式，并采用分段注漿的形式，依次完成注漿加固工作。其中C區(qū)管棚加固為一次成孔，并設置控制區(qū)段為5 m，由深及淺后退式注漿，C區(qū)左右兩側為外插孔注漿，并采用分段前進注漿的形式，依次完成注漿加固工作。A區(qū)采用鉆孔置換-誘導劈裂注漿工藝。B區(qū)域與A區(qū)域保持相同的控制區(qū)段，考慮到端頭井底部高程與實際要求加固深度的關系，該區(qū)域鉆孔為斜孔，加固形式設置為半斷面帷幕注漿，最終與C區(qū)形成的側向加固區(qū)閉合成整體帷幕。左線擬采用量循環(huán)施作，第一循環(huán)0～10 m，第二循環(huán)10～21.7 m，依次施作；右線及中隔柱設計一循環(huán)施作，即一次性注漿加固總長度21.7 m。

(3)區(qū)域注漿材料及參數(shù)(見表1)

表1 區(qū)域注漿材料及參數(shù)

(4)注漿效果檢驗

①設計要求。加固完成后取芯，左右線A、B區(qū)域各取2個孔，C區(qū)域取2個孔，加固土體無側限抗壓強度(28 d)應達到qu≥1.0 MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10-6cm/s的要求。破除地連墻前在開挖輪廓線中心、兩側及底部加固區(qū)共打設4個探水孔，探孔深度不小于暗挖段有效長度的2/3，探測孔內無水滲塌孔后方可進行開挖。

②效果檢測。注漿效果檢驗是評價注漿加固效果的依據(jù)，本工程采用地球物理探測、參數(shù)分析、檢查孔、開挖取樣與變形監(jiān)測等方法相結合的多手段綜合檢驗方法，對注漿治理效果進行科學檢驗和系統(tǒng)評價。以跨孔電阻率成像法為例進行說明，跨孔電阻率成像法是一種超高密度的陣列勘探方法，將所有的電極分別置于2個鉆孔中，通過觀測跨孔的電流、電壓數(shù)據(jù)，最后反演獲得兩鉆孔之間的電阻率分布斷面圖如圖5所示。采用跨孔電阻率成像方法，獲得兩鉆孔之間地質的詳細物性信息，對數(shù)據(jù)進行反演計算，得到探測區(qū)域圍巖電阻率剖面，對含水構造表現(xiàn)為低阻，對完整圍巖表現(xiàn)為高阻，最終對探測區(qū)域地質進行完整探查。

圖5 剖面跨孔電阻率CT反演成像結果

3.4 暗挖區(qū)間施工工序

(1)洞口段開挖

①測量放線:根據(jù)區(qū)間中線、高程，在地連墻上定出開挖輪廓線，并檢查開挖輪廓線，劃出各導洞的輪廓線。②試破除小部分地墻，若開挖面穩(wěn)定未出現(xiàn)涌水涌砂，進行后續(xù)施工。若開挖面滲水涌砂，噴混封堵掌子面，再次補償注漿，或經(jīng)各方研討確定切實的處理方案以后，再進行開挖。③完全破除左上部分地墻，掛網(wǎng)、立拱架，噴混，密排施作左上部分地墻處初期支護。之后進行左上洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支。④待左上洞室開挖2 m后，破除左下部分地連墻，密排施作左下部分地墻處初期支護，之后進行左下洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支。⑤待左下洞室開挖2 m后，破除右上部分地連墻，密排施作右上部分地墻處初期支護，之后進行右上洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支。⑥待右上洞室開挖2 m后，破除右下部分地連墻，密排施作右下部分地墻處初期支護，之后進行右下洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支，初支封閉成環(huán)后及時進行初支背后注漿。⑦拆除地墻位置豎撐及橫向支撐，施作洞口環(huán)梁處的防水，綁扎鋼筋、澆筑洞口環(huán)梁。⑧待初支收斂后，根據(jù)二襯澆筑長度拆除下部部分中隔墻，施作防水層，澆筑矮邊墻及底板二襯，二襯緊跟開挖面5 m施作。⑨待下部二襯達到設計強度的75%后，施作防水層，澆筑剩下部分側墻及頂板二襯。待二襯強度達到設計要求后及時進行二襯背后回填注漿。⑩待左線貫通至南側地連墻后，施作防水層，澆筑左側封堵墻。?待左線封堵墻施作完畢，進行右線暗挖段的開挖，步驟同左線。CRD法縱向施工步序如圖6所示。

圖6 CRD法縱向施工步序

(2)掌子面探水孔施工

①CRD開挖，四個導洞開挖前需進行超前打設探水孔，每個導洞2個探水孔，孔徑48 mm，孔深5 m，方向斜向上，開挖3 m，預留2 m，具體位置如圖7所示；②判斷是否正常進尺；③正常段開挖工序與洞口段開挖工序一樣，只是少了地連墻鑿除工序，各洞室開挖步由原來的2 m，調整至3 m，除主體車站側墻、底縱梁及地連墻以外區(qū)域，初支型鋼鋼架加密至250 mm，其余間距為750 mm。左線開挖完成后，施作防水層，澆筑左線左側封堵墻。右線待左線貫通后進行開挖，開挖方法及工序同左線。

圖7 探水孔平面布置(左右線相同)

4 結論

本文以徐州市軌道交通6號線密貼下穿既有2號線市政府站暗挖段施工為工程背景，針對支護結構可能存在加固盲區(qū)、暗挖段對既有車站的變形沉降影響大等難點問題，研究新建地鐵下穿既有線路車站暗挖段施工技術，最終6號線得以成功下穿市政府站并投入使用，主要得到以下結論:

(1)工程暗挖段穿越地層為沙質粉土層，極易液化，且為富含水層，在開挖過程中有可能突泥涌水，造成車站主體受力改變和下沉，暗挖段塌方。為解決該問題，首先在地連墻上安裝防滲漏套管，然后全斷面分區(qū)域超前加固，開挖輪廓線外4 m以內全部采用全斷面注漿加固，加固完成后，進行取芯檢測加固的質量，待加固質量達到設計參數(shù)要求后，對于兩道地連墻進行鑿除，鑿除后進行暗挖段開挖施工。該綜合施工方法成功在此類地層暗挖施工且質量良好，證明了其有效性和安全性。

(2)暗挖段施工重點關注洞口段施工及掌子面探水孔施工。暗挖采用CRD法，共分4個小洞室開挖，導洞開挖前需進行超前打設探水孔，特別注意及時施作初支，初支封閉成環(huán)后及時進行初支背后注漿，待初支收斂后，中隔墻進行二次襯砌施工，待左線貫通至南側地連墻后，施作防水層，澆筑左側封堵墻，同理施工右線。