地鐵區(qū)間隧道暗挖下穿既有車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

楊勵(lì)

中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 天津 300308

1 引言

近年來隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的日益完善和加密，各種形式的換乘車站及大型交通樞紐的建設(shè)越來越多，在線路節(jié)點(diǎn)處不可避免的與既有地鐵車站或區(qū)間形成上跨、下穿、側(cè)穿等穿越工程，在維持既有地鐵結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的前提下，新建穿越結(jié)構(gòu)如何有效實(shí)施是此類設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文以深圳黃木崗交通樞紐軌道交通24號(hào)線區(qū)間下穿既有地鐵7號(hào)線黃木崗站工程為依托，對(duì)下穿方案進(jìn)行了詳細(xì)比選，最終確定采用暗挖法進(jìn)行下穿段隧道開挖及既有圍護(hù)樁破除，新建隧道拱頂及周圍土體加固則采用了超前支護(hù)（管棚、小導(dǎo)管）注漿及全斷面深孔注漿相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)變形的有效控制，此專項(xiàng)設(shè)計(jì)與施工方案可供類似的穿越工程進(jìn)行參考。

2 工程概況及水文地質(zhì)條件

2.1 工程概況

深圳黃木崗交通樞紐軌道交通部分位于筍崗西路和華富路-泥崗西路交叉口，14號(hào)線沿華富路-泥崗西路南北向與既有7號(hào)線黃木崗站平行布置，24號(hào)線沿筍崗西路東西向布置，三線呈類“干”字型換乘[1]。周邊建筑物有深圳市體育中心、市二醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)中學(xué)等。新建地鐵14號(hào)線車站為地下三層疊側(cè)車站，與既有7號(hào)線黃木崗站（地下三層疊側(cè)式車站）同臺(tái)換乘，車站長262.2m，寬45~75m，頂板覆土1.7~5.8m；地鐵24號(hào)線為規(guī)劃線路，車站土建與樞紐同期施作后預(yù)留，為地下四層島式車站，與7、14號(hào)線形成節(jié)點(diǎn)換乘，全長235.2m，寬31~60m，頂板覆土約2m。樞紐主體均采用蓋挖逆作法施工，軌道交通區(qū)域整體未設(shè)置變形縫。

規(guī)劃24號(hào)線區(qū)間沿筍崗西路東西向敷設(shè)，遠(yuǎn)期埋深約32m，線路中心線間距23.2m，下穿既有7號(hào)線段左線長度53.4m，右線長度48.4m，與既有7號(hào)線車站底板凈距約2.78m，需破除既有23根沖孔灌注樁（直徑1.5m，重疊6.2m）及2口降水井（直徑0.4m砂眼管填充C30，重疊3.9m），平面位置如圖1。由于遠(yuǎn)期24號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間施工時(shí)，車站上方已施作樞紐地下結(jié)構(gòu)、道路、永久橋等，地面不具備盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)、盾構(gòu)機(jī)吊入吊出條件，故車站預(yù)留盾構(gòu)過站條件。

圖1 24號(hào)線區(qū)間下穿既有7號(hào)線平面位置圖

2.2 工法選擇

區(qū)間下穿方案對(duì)比詳見表1。

表1 區(qū)間下穿方案對(duì)比

參考深圳已實(shí)施的下穿工程案例，初支按盾構(gòu)管片外輪廓+300mm考慮，采用內(nèi)徑6.8m、外徑7.5m的圓形斷面，如圖2。初支采用錨噴的結(jié)構(gòu)型式，符合“新奧法”設(shè)計(jì)原理，暗挖隧道終點(diǎn)設(shè)置200mm厚堵頭墻，施工時(shí)結(jié)合分界處實(shí)際地質(zhì)情況確定是否對(duì)掌子面外進(jìn)行注漿加固。

圖2 暗挖區(qū)間斷面圖

2.3 工程地質(zhì)

區(qū)間穿越地層主要為土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（V級(jí)圍巖），局部為中風(fēng)化花崗巖及微風(fēng)化花崗巖（Ⅲ級(jí)圍巖），地下水位埋深1.00～4.80m，縱斷面如圖3。

圖3 地質(zhì)縱斷面圖

3 暗挖下穿既有車站關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地下水處理及地層加固

受暗挖區(qū)間上方新建14號(hào)線主體結(jié)構(gòu)影響，無法實(shí)施地面降水井，只能采取洞內(nèi)全斷面深孔注漿的方式，將止水帷幕與地層加固相結(jié)合，加固后的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1~1.2MPa,滲透系數(shù)小于10-6cm/s[2]，即可最大程度的減小地下潛水對(duì)隧道開挖的影響。加固范圍為暗挖區(qū)間斷面輪廓線外3m，每個(gè)循環(huán)注漿段的設(shè)計(jì)長度取9m，本注漿段施工完成后先開挖6m預(yù)留3m不開挖作為下一循環(huán)的止?jié){巖盤[3]。

3.2 超前支護(hù)及初支鋼架施工

本工程暗挖隧道下穿段在左、右線拱頂設(shè)置由大管棚+超前小導(dǎo)管組成的超前支護(hù)體系，詳見圖2。大管棚應(yīng)在車站洞口環(huán)梁澆筑前打設(shè)，施工步序?yàn)椋孩俟芘锛庸?；②鉆孔與管棚安裝；③注漿。根據(jù)下穿段隧道斷面尺寸、地質(zhì)及穿越障礙物情況，結(jié)合施工便利性，隧道初支采用型鋼鋼架，下穿既有7號(hào)線段采用工22a，其他段采用工18a，間距0.5m。

3.3 臺(tái)階法施工

采用二臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，上臺(tái)階開挖的進(jìn)尺一般取2～3m，避免進(jìn)尺過長，機(jī)械開挖，施工過程中嚴(yán)格控制機(jī)械振動(dòng)速率，禁止大范圍開挖巖體，施工步序如下：①施作超前支護(hù)，全斷面注漿加固，預(yù)留核心土環(huán)形開挖上臺(tái)階土體，掛鋼筋網(wǎng)、架設(shè)并安裝鋼架、打鎖腳錨管、系統(tǒng)錨桿及噴射混凝土；②開挖上一步預(yù)留的核心土，并結(jié)合地層設(shè)置臨時(shí)仰拱，上半斷面封閉；③開挖下臺(tái)階土體，掛鋼筋網(wǎng)及架設(shè)、安裝鋼架，噴射混凝土（封閉成環(huán)）；④拆除臨時(shí)仰拱，回填暗挖隧道。

針對(duì)下穿需破除的既有沖孔灌注樁，為防止掉樁，先鑿出兩榀鋼架的厚度，并立兩榀鋼架，再鑿除此樁剩余樁基混凝土。因區(qū)間與車站圍護(hù)樁斜交，斜交圍護(hù)樁范圍鋼架均按密排處理，快速封閉成環(huán)。

4 既有車站結(jié)構(gòu)變形分析

4.1 有限元數(shù)值模擬

采用Midas GTS軟件建立三維有限元模型模擬隧道開挖施工步驟，結(jié)合計(jì)算效率及區(qū)間下穿影響范圍，建模區(qū)域包括既有7號(hào)線車站、樞紐核心區(qū)及24號(hào)線暗挖區(qū)間，模型長、寬均取350m，高度取60m，邊界四周法向約束，底部固定，如圖4。計(jì)算結(jié)果顯示，隧道開挖施工引起的既有7號(hào)線車站豎向沉降為3.6mm,軌道結(jié)構(gòu)軌向變形為1.7mm/10m，兩軌橫向高差1.0mm，隧道拱頂豎向沉降為5.27mm。

圖4 有限元計(jì)算模型及計(jì)算云圖

4.2 施工監(jiān)測(cè)

施工期間的監(jiān)控量測(cè)是進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工與管理、確保暗挖工程施工安全的必要輔助措施，應(yīng)貫穿于暗挖施工全程。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)規(guī)范及深圳地鐵現(xiàn)行安保區(qū)管理規(guī)定，針對(duì)既有車站，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目必須包含：結(jié)構(gòu)豎向位移和水平位移、變形縫差異沉降、軌道結(jié)構(gòu)（道床）豎向位移、軌道幾何形位(軌距、軌向、高低、水平等)、結(jié)構(gòu)裂縫[4]。監(jiān)測(cè)斷面間距為5~10m，監(jiān)測(cè)頻率根據(jù)施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)調(diào)整。

根據(jù)最終的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，下穿施工過程既有7號(hào)線黃木崗站箱體及軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)變形監(jiān)測(cè)值累計(jì)值均小于控制值，符合規(guī)范要求，且與數(shù)值模擬計(jì)算值接近，趨勢(shì)一致，可綜合判斷區(qū)間暗挖下穿的設(shè)計(jì)與施工方案合理，整體風(fēng)險(xiǎn)可控，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)詳見表2。

表2 施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)行《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[5]、各地方標(biāo)準(zhǔn)或地鐵安保區(qū)管理辦法，下穿工程的外部作業(yè)等級(jí)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程等級(jí)一般為特級(jí)，既有車站或區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形控制值較小。由于新建結(jié)構(gòu)的周邊環(huán)境地形條件一般較為復(fù)雜，下穿段埋深較大，施工局限性較大，通過超前支護(hù)、地層注漿加固、臺(tái)階法施工相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，較好的滿足了隧道自身變形、既有結(jié)構(gòu)的沉降變形控制要求，保證既有車站安全運(yùn)營的同時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了新建軌道交通結(jié)構(gòu)的下穿施工。

通過實(shí)際工程驗(yàn)證，穿越土層的暗挖隧道超前支護(hù)采用管棚與超前小導(dǎo)管相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案實(shí)施效果較好，注漿加固后的隧道上部土體穩(wěn)定性較好。在整體剛度較大的管棚保護(hù)下進(jìn)行土體開挖，對(duì)既有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小，結(jié)合短臺(tái)階預(yù)留核心土法進(jìn)行下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)施工，技術(shù)可靠。在實(shí)際運(yùn)用中，尚應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，信息化設(shè)計(jì)與施工，從而更加精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)對(duì)穿越既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形分析與控制。