新建地鐵車站大斷面下穿既有地鐵車站暗挖施工及沉降控制研究與應(yīng)用

劉 濤

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

0 引言

隨著城市軌道交通的建設(shè)，更多地出現(xiàn)了既有車站或區(qū)間下方進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工的情況。由于下部開(kāi)挖或掘進(jìn)施工，必將會(huì)對(duì)上部既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響?；诖?，對(duì)兩者之間的相互影響及對(duì)策研究就顯得尤為重要。朱正國(guó)、于軍、張林宏等針對(duì)車站下方淺埋暗挖引起的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力進(jìn)行了研究，提出了具體措施[1-3]；白紀(jì)軍、常翔、楊會(huì)軍等針對(duì)地鐵車站近接正交下穿既有地鐵隧道，采用全斷面注漿條件下的柱洞法，借助車站和巖體形成支撐體系，保證暗挖施工和運(yùn)營(yíng)隧道安全[4-6]；郭宏博、吳沛嶺等以新建地鐵車站結(jié)構(gòu)密貼暗挖下穿既有地鐵車站的工程為背景，通過(guò)對(duì)暗挖下穿既有車站的不同開(kāi)挖步序及輔助措施對(duì)應(yīng)施工方案的對(duì)比分析，研究了暗挖下穿對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律[7-8]。本文結(jié)合成都某地鐵車站下方新建地下車站工程實(shí)踐，對(duì)既有結(jié)構(gòu)工程和地下車站施工相互影響及措施進(jìn)行研究，為今后類似工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)況

成都某新建地鐵站位于寧波路東段與夔州大道交匯處，平行寧波路東段呈東西向布置，與已建既有6號(hào)線三期車站十字節(jié)點(diǎn)換乘。該車站地下四層下穿既有車站，下穿段寬32.8m，長(zhǎng)23.3m，高10.2m，采用暗挖法施工。

1.2 工程地質(zhì)

該車站處于低瓦斯地段，暗挖段地層為中風(fēng)化泥巖、砂巖，中厚層狀，碎屑結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較硬，錘擊聲脆，部分地段軟弱夾層或差異風(fēng)化明顯，易風(fēng)化，遇水易軟化。天然抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值8.95MPa，飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值6.69MPa，屬軟質(zhì)巖。地層巖性較好，第四系孔隙水和基巖裂隙水較發(fā)育。

2 下穿既有線暗挖方案

2.1 暗挖法介紹

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，下穿既有車站或車站暗挖段地層條件差、斷面特大時(shí)，一般設(shè)計(jì)為多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，跨與跨之間設(shè)梁和柱連接，一般采用中洞法、側(cè)洞法、柱洞法及洞樁法等工法施工，其核心思想是將開(kāi)挖大斷面變?yōu)橹行嗝妫侠磙D(zhuǎn)換支撐體系，以提高施工安全度。

表1 暗挖施工法對(duì)比

2.2 洞樁法

暗挖工程洞樁法的基本原理為先開(kāi)挖導(dǎo)洞、灌注樁基、頂拱澆筑形成支撐體系，再分區(qū)域擴(kuò)挖并施工主體結(jié)構(gòu)。因本工程暗挖段有8根既有線抗浮樁(φ1.2m，長(zhǎng)度10m)，可以利用既有抗浮樁并新建柱下基礎(chǔ)形成臨時(shí)支撐體系。本暗挖工程可結(jié)合洞樁法的原理，開(kāi)挖既有抗浮樁位置的導(dǎo)洞后施工柱下基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換支撐體系后分4個(gè)區(qū)域擴(kuò)挖并澆筑主體結(jié)構(gòu)。洞樁法施工分區(qū)如圖1所示。

圖1 洞樁法施工分區(qū)示意

洞樁法共設(shè)置4個(gè)導(dǎo)洞、4個(gè)擴(kuò)挖區(qū)，分兩期組織施工：一期開(kāi)挖貫通①②③④導(dǎo)洞并新建柱下基礎(chǔ)形成臨時(shí)支撐體系；二期擴(kuò)挖貫通⑤⑥⑦⑧區(qū)域并新建主體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換支撐體系。

2.3 中洞法

暗挖工程中洞法的基本原理為先開(kāi)挖中間部分(中洞)，在中洞內(nèi)施作梁、柱結(jié)構(gòu)，然后再開(kāi)挖兩側(cè)部分(側(cè)洞)，并逐漸將側(cè)洞頂部荷載通過(guò)中洞初期支護(hù)轉(zhuǎn)移到梁、柱結(jié)構(gòu)上。因本工程暗挖段為中風(fēng)化泥巖、砂巖地層，地質(zhì)情況較好，故該暗挖工程可結(jié)合中洞法的原理，先開(kāi)挖梁柱位置導(dǎo)洞預(yù)留兩側(cè)巖體，跟進(jìn)施工已開(kāi)挖導(dǎo)洞板、梁、柱結(jié)構(gòu)，最后開(kāi)挖預(yù)留巖體并澆筑結(jié)構(gòu)，即中洞法分段施工。中洞法分段施工如圖2所示。

圖2 中洞法分段施工示意

中洞法分段施工利用未開(kāi)挖巖體和新澆筑主體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換支撐體系，共設(shè)7個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖和主體結(jié)構(gòu)施工，導(dǎo)洞①、②、③、④內(nèi)為板、梁、柱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)洞⑤、⑥、⑦內(nèi)為板結(jié)構(gòu)。施工順序?yàn)棰佟凇邸堋荨蕖?，每個(gè)導(dǎo)洞巖體分上、下臺(tái)階開(kāi)挖，巖體開(kāi)挖完成后澆筑主體結(jié)構(gòu)。

3 既有結(jié)構(gòu)變形分析

本工程暗挖段上部為既有車站，在開(kāi)挖及主體結(jié)構(gòu)施工期間，由于既有車站下部基巖轉(zhuǎn)變?yōu)榘?、梁、柱支撐體系和預(yù)留巖體，車站結(jié)構(gòu)因支撐體系轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生變化。為確保既有車站結(jié)構(gòu)安全，重點(diǎn)研究本工程暗挖段開(kāi)挖期間及新建主體完成后對(duì)既有車站的影響，采用邁達(dá)斯和理正有限元軟件，分別建立地層-結(jié)構(gòu)模型及荷載-結(jié)構(gòu)模型，對(duì)既有線結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力影響進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3-圖5所示，施工工況既有線結(jié)構(gòu)底板內(nèi)力見(jiàn)圖6。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖4 導(dǎo)洞條基法計(jì)算模型

圖5 分段施工法計(jì)算模型

(a)基本組合彎矩圖

經(jīng)計(jì)算分析，采用洞樁法施工時(shí)最不利影響為既有車站結(jié)構(gòu)豎向位移2.8m；采用中洞法施工時(shí)最不利影響為既有車站結(jié)構(gòu)豎向位移約3.5m；水平位置、差異沉降等其他影響都較小，既有線結(jié)構(gòu)變形可以有效控制，滿足規(guī)范及相關(guān)文件要求。在臨時(shí)工況和永久工況的條件下，新建車站結(jié)構(gòu)滿足原既有線結(jié)構(gòu)受力，滿足原結(jié)構(gòu)配筋要求，暗挖工法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案安全可行。

4 暗挖施工方案對(duì)比

4.1 洞樁法

洞樁法主要優(yōu)點(diǎn)為充分利用既有車站抗浮樁+柱下基礎(chǔ)作為臨時(shí)支撐體系，擴(kuò)挖巖體時(shí)臨時(shí)支撐體系有效性較為突出，能有效控制既有結(jié)構(gòu)變形。

洞樁法主要缺點(diǎn)為：

(1)支撐體系轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，由原支撐體系(既有線下部巖體)→臨時(shí)支撐體系(抗浮樁+柱下基礎(chǔ)、臨時(shí)鋼立柱)→永久支撐體系(新建主體結(jié)構(gòu))的順序四次體系轉(zhuǎn)換，施工工序繁瑣。

(2)洞樁法先期實(shí)施柱下基礎(chǔ)與底板結(jié)構(gòu)，存在永久、臨時(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，施工縫較多，后期防水處理較為復(fù)雜。

(3)洞樁法先期導(dǎo)洞開(kāi)挖施工空間較小，采用大型設(shè)備施工困難，地層條件較好的情況下，高效、快速地實(shí)施難度較大。

(4)洞樁法共分8序組織施工，每序施工均為關(guān)鍵線路，總工期較長(zhǎng)。

(5)洞樁法分序施工時(shí)，初期支護(hù)工程量大，投資及施工成本較大。

4.2 中洞法

中洞法分段施工主要優(yōu)點(diǎn)為：

(1)中洞法分段施工利用未開(kāi)挖巖體和新澆筑主體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換支撐體系，體系轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單。

(2)中洞法分段施工利用新建主體結(jié)構(gòu)作為支撐體系，永久、臨時(shí)結(jié)合，不存在施工期間臨時(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和廢除，施工縫較小，后期防水處理簡(jiǎn)單。

(3)中洞法分段施工每個(gè)導(dǎo)洞分上、下臺(tái)階施工，施工空間較大而利于組織大型設(shè)備施工。

(4)中洞法分段施工共分7導(dǎo)洞組織施工，比洞樁法少1步關(guān)鍵工序，施工工期更短。

(5)中洞法分段施工⑤⑥⑦區(qū)域開(kāi)挖時(shí)，不設(shè)初期支護(hù)，投資及施工成本較小。

中洞法分段施工主要缺點(diǎn)為臨時(shí)支撐體系依賴預(yù)留巖體的自身穩(wěn)定性較高，預(yù)留巖體和新澆筑主體結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支撐體系有效性較差。

4.3 施工方案確定

綜上分析，結(jié)合本工程地層情況和現(xiàn)場(chǎng)條件，在保證既有車站結(jié)構(gòu)安全的前提下，本工程采用分段施工法更快捷、高效，同時(shí)施工質(zhì)量更可控，投資及施工成本較小。

5 暗挖施工措施

5.1 上部卸載

為保證既有車站結(jié)構(gòu)受力安全，減少暗挖施工期間既有車站變形量，暗挖施工前盡可能減少和控制既有車站上部荷載，主要措施為：

(1)挖除既有車站頂板上覆土(厚度約4m)進(jìn)行卸載。

(2)封閉施工區(qū)域交通，嚴(yán)禁車輛在既有車站上部通行，避免既有車站上部不利荷載。

(3)禁止既有車站結(jié)構(gòu)頂板組織其他施工，不堆放材料及重物，控制既有車站上部增加荷載。

5.2 施工組織

(1)沿既有車站兩側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖新建車站的基坑，兩側(cè)基坑分層開(kāi)挖時(shí)高差不大于6m，避免一次性單側(cè)開(kāi)挖大面積巖體對(duì)既有車站永久結(jié)構(gòu)造成的卸載、偏載等影響，確保暗挖施工前既有車站結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

(2)新建車站基坑開(kāi)挖時(shí)，既有車站下部暗挖段兩側(cè)預(yù)留寬度約6m的巖體，做好網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)，并有效抽排基坑內(nèi)積水，在暗挖施工前確保既有車站的支撐體系穩(wěn)定。

(3)本工程暗挖段處于低瓦斯地層，暗挖施工期間加強(qiáng)通風(fēng)及瓦斯監(jiān)測(cè)，確保暗挖施工期間的安全。

(4)合理組織暗挖巖體開(kāi)挖和新建主體結(jié)構(gòu)，盡可能地縮短施工工期，避免既有車站過(guò)長(zhǎng)時(shí)間處于支撐體系轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

(5)本工程暗挖段位于地表以下40m，巖體開(kāi)挖后渣料和新建主體結(jié)構(gòu)所需材料涉及吊裝作業(yè)，配置大功率吊裝設(shè)備，保證暗挖工程的效率。

(6)暗挖施工期間加強(qiáng)排水措施，確保作業(yè)面及暗挖區(qū)域處于干燥狀態(tài)，保證巖體的穩(wěn)定性。

6 監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)工作是保障地下工程安全的重要手段，施工過(guò)程中高度重視監(jiān)測(cè)工作，建立分級(jí)預(yù)警機(jī)制，形成應(yīng)急處理預(yù)案，做好信息化施工。

針對(duì)本工程采用暗挖法下穿既有車站，對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)采取全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)措施，對(duì)既有線結(jié)構(gòu)變形等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析；暗挖法施工中重點(diǎn)加強(qiáng)其拱頂沉降及洞內(nèi)凈空收斂等監(jiān)測(cè)，時(shí)刻關(guān)注隧道裂縫產(chǎn)生及發(fā)育情況，特別重視坡面豎向及水平變形情況。若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，及時(shí)分析，盡快采取臨時(shí)加撐等應(yīng)急處理措施。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在砂泥巖地層等類似地層較好的條件下，既有車站下方暗挖段采用中洞法分段施工能有效控制既有車站結(jié)構(gòu)變形。采用中洞法分段施工更快捷、高效，同時(shí)施工質(zhì)量更可控，投資及施工成本較小，可用于今后類似工程。