新建地鐵車站超大斷面密接下穿既有車站影響分析*

鄭龍超 王明勝 路軍富 廖品富

(1.中鐵隧道局集團(tuán)建設(shè)有限公司，530007，南寧； 2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，610218，成都；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，610059，成都∥第一作者，高級工程師)

近年來，新建地鐵車站零距離下穿既有運(yùn)營地鐵車站已成為城市建設(shè)中常見的工程問題。目前，國內(nèi)已有不少學(xué)者對零距離下穿建筑物地鐵施工項目進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]將Peck公式理論數(shù)據(jù)與國內(nèi)各地區(qū)實際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，獲得了Peck公式具有一定普適性的結(jié)論，但其適用范圍受隧道的埋深、斷面形狀及支護(hù)形式等參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[2]對Mair公式進(jìn)行了修正，增強(qiáng)其適用性及可應(yīng)用性。文獻(xiàn)[3]通過機(jī)理研究，結(jié)合國內(nèi)外下穿結(jié)構(gòu)案例，建立了適用于體型簡單、結(jié)構(gòu)剛度均一的建筑物剛度修正法。文獻(xiàn)[4]提出了一種由下穿既有地鐵站引起的上部結(jié)構(gòu)沉降變形的預(yù)測方法。文獻(xiàn)[5]分析了施工期間，土體注漿范圍對隧道附加變形的控制作用。文獻(xiàn)[6]結(jié)合變位分配原理和CRD(交叉中隔墻)法+頂撐施工技術(shù)，模擬分析了既有車站結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律和分步變位控制標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[7]研究了由PBA(洞樁逆作)八導(dǎo)洞法、PBA 六導(dǎo)洞法、暗挖三導(dǎo)洞法及暗挖四導(dǎo)洞法施工引起的地面及既有隧道變形情況。

綜上所述，目前對零距離下穿建筑物的研究較多，但對實際工程中的超大斷面暗挖施工對周圍建筑物的影響研究較少。鑒于此，本文以成都地鐵倪家橋站新建8號線換乘車站為例，針對超大斷面暗挖施工對既有車站結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的影響問題，提出通過L型梁及馬頭門約束、5導(dǎo)洞10斷面分部暗挖法等一系列施工方法控制既有車站沉降。本文研究可為類似工程施工提供借鑒與工程經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 下穿隧道與既有車站的位置關(guān)系

成都地鐵倪家橋站新建8號線(以下簡稱“8號線”)位于人民南路和倪家橋路交匯處，地鐵車站位于人民南路西側(cè)，沿領(lǐng)事館路和倪家橋路布置，部分軌行區(qū)下穿既有地鐵1號線(以下簡稱“1號線”)和待建地鐵18號線(以下簡稱“18號線”)進(jìn)行三站換乘，三線平面布置圖如圖1 a)所示。既有車站為地下兩層島式明挖車站，長為180.0 m，與8號線為T型換乘。新建地鐵車站為地下三層島式車站，總長為277.0 m，寬為22.3 m，換乘節(jié)點(diǎn)范圍基坑深度為35.14 m，暗挖段沿8號線主體結(jié)構(gòu)縱向剖面圖如圖1 b)所示。新建車站換乘通道需在負(fù)三層密接暗挖下穿既有車站，暗挖段初次襯砌結(jié)構(gòu)密貼既有車站底板。下穿隧道暗挖斷面面積為211.77 m2，寬為23.4 m；開挖深度最大為9.05 m，最小為8.55m；穿越長度為18.7 m。

圖1 下穿隧道與既有車站位置關(guān)系示意圖

1.2 工程地質(zhì)

本工程場地基巖為白堊系灌口組紫紅色泥巖，暗挖段上半部分位于<2-5-3>中密卵石土層，下半部分位于<5-2>強(qiáng)風(fēng)化泥巖，中風(fēng)化泥巖位于暗挖底板下2～3 m處。地下水賦存于基巖裂隙中，含水量一般較小，但在巖層較破碎的情況下常形成局部富水帶。

1.3 施工方案

由于下穿隧道頂板緊貼既有車站底板，導(dǎo)致施工操作空間狹小，既有車站的沉降控制難度較大，進(jìn)而影響地鐵正常運(yùn)營。通過施作L型梁、馬頭門(隧道洞口處梁柱支撐結(jié)構(gòu))等結(jié)構(gòu)形成約束既有車站變形的受力體系；采用5導(dǎo)洞10斷面分部暗挖法+中心鋼管柱頂撐工藝下穿施工，及時施作初次襯砌封閉成環(huán)形受力體系；施作二次襯砌結(jié)構(gòu)完成受力體系轉(zhuǎn)換。下穿隧道施工斷面示意圖如圖2所示。

圖2 下穿隧道施工斷面示意圖Fig.2 Diagram of under-passing tunnel construction section

1.4 主要施工工藝

1) L型梁及馬頭門約束體系。在開挖施工斷面前，施作既有車站頂板上方的L型梁和暗挖段洞門處的馬頭門，加強(qiáng)對既有車站的約束作用，控制既有車站的變形。L型梁為8號線及18號線換乘節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)頂板與既有車站頂板的連接結(jié)構(gòu)，馬頭門位于既有車站底板下方，起到支撐既有車站側(cè)墻和底板的作用(見圖1 b))。

2) 鋼管群樁頂撐工藝。開挖期間在既有車站受力框架柱正下方施作1導(dǎo)洞及2導(dǎo)洞處的鋼管群樁。首先采用潛孔鉆進(jìn)行施工，錨入基底下6 m，每個框架柱下施工11根φ219 mm鋼管樁，鋼管樁采用壁厚為12 mm、長為12 m的無縫鋼管；然后在鋼管樁內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土；最后架設(shè)鋼架平臺，在平臺上放置4臺100 t千斤頂頂撐，使得鋼管群樁既能夠頂撐既有車站，又能調(diào)控既有車站的沉降；澆筑二次襯砌時取下千斤頂，并施作鋼管混凝土柱。鋼管群樁頂撐工藝如圖3所示。

圖3 鋼管群樁頂撐工藝Fig.3 Steel pipe pile group jacking technique

2 密接下穿既有地鐵車站施工模擬計算要素

2.1 建立計算模型

根據(jù)理論分析和設(shè)計資料，考慮到隧道施工影響范圍、降低邊界效應(yīng)及既有地鐵1號線圍護(hù)結(jié)構(gòu)等情況，劃定計算模型邊界范圍為：計算模型水平方向取既有地鐵1號線的設(shè)計長寬；模型底部邊界至下穿隧道下側(cè)邊界為45 m；上部邊界為自由面；底部為x、y、z三向約束；兩側(cè)邊界均施加法向約束。計算模型中土體、二次襯砌、既有車站和馬頭門均采用實體單元進(jìn)行模擬，初期支護(hù)采用析取的板單元進(jìn)行模擬，挖孔樁、鋼管柱采用植入式梁單元進(jìn)行模擬。土體采用摩爾-庫倫模型，其余結(jié)構(gòu)均采用彈性模型。模型范圍為165 m(x向)×24 m(y向)×70 m(z向)。有限元計算模型如圖4所示。

圖4 有限元計算模型Fig.4 Finite element calculation model

2.2 選取參數(shù)

2.2.1 計算單元及參數(shù)

地層的物理力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)[8]和GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》，計算模型中圍巖的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型圍巖力學(xué)參數(shù)Tab.1 Surrounding rock mechanical parameters in model

2.2.2 荷載

既有車站軌道上的荷載為均布列車荷載，均布列車荷載為40 kN/m2。荷載施加形式示意圖如圖5所示。

圖5 荷載施加形式示意圖Fig.5 Diagram of load application form

2.3 選取主要施工步驟

下穿隧道斷面開挖完成或施作結(jié)構(gòu)完成時，地面、既有車站及下穿隧道的變形和受力均較大。選取的關(guān)鍵施工步驟及其施工內(nèi)容如表2所示。

表2 關(guān)鍵施工步驟及其施工內(nèi)容Tab.2 Key construction steps and contents

3 既有地鐵車站變形特征分析

3.1 樓板變形規(guī)律分析

全部施工步驟完成時，沿既有車站中軸線各樓板節(jié)點(diǎn)的豎向位移曲線如圖6 a)所示。各樓板最大累積位移變形量占總位移變形量的百分比條形圖如圖6 b)所示。由圖6可知：當(dāng)全部施工步驟完成時，底板沿既有車站中軸線變形曲線呈V型，頂板、中板變形曲線呈U型，下穿隧道與既有車站交疊處沉降明顯；開挖影響范圍約為85 m，是開挖寬度的3.63倍，是開挖高度的9.39倍；底板最終沉降值為3.03 mm，中板最終沉降值為2.68 mm，頂板最終沉降值為2.70 mm，底板沉降約為中板沉降、頂板沉降的1.35倍，且頂板沉降略大于中板沉降，這是由破除既有車站一層側(cè)墻導(dǎo)致的。

圖6 施工過程中的既有車站樓板變形情況

8號線端圍護(hù)樁破除以及1-1斷面開挖是影響既有車站變形的主要施工步驟。底板的最大累積沉降量占比約為27.4%，中板的最大累積沉降量占比為25.4%，頂板最大累積沉降量占比為21.5%。因此，控制主要影響施工步驟的施工進(jìn)度，可以有效防止既有車站的突變變形。

3.2 軌道變形規(guī)律分析

全部施工步驟完成時，各軌道豎向位移曲線如圖7所示。由圖7可知：全部施工步驟完成時，各線路軌道豎向位移變化規(guī)律相似；沉降槽位于下穿隧道中軸線上；左線軌道受開挖影響較大，變形曲線呈V型，內(nèi)側(cè)軌道比外側(cè)軌道沉降大，最大沉降值分別為2.52 mm和2.28 mm；右線軌道受開挖影響較小，變形曲線呈U型，內(nèi)側(cè)軌道比外側(cè)軌道沉降大，最大沉降值分別為2.04 mm和1.75 mm。

圖7 施工完成時各線軌道豎向位移

4 既有車站變形實測結(jié)果與計算結(jié)果對比分析

4.1 既有車站變形實際監(jiān)測方案

在既有地鐵1號線車站軌道道床間距5～10 m處布置一個監(jiān)測斷面，記錄既有線路豎向位移。既有地鐵1號線線路監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖8所示。根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)檢測對象的沉降實測值與結(jié)構(gòu)安全控制沉降指標(biāo)值的比值<0.6時，可正常進(jìn)行外部作業(yè)。本項目結(jié)構(gòu)安全控制沉降指標(biāo)值為10.00 mm，可得沉降預(yù)警值為6.00 mm，沉降速率為1 mm/d。本工程項目的地鐵車站沉降為4.84 mm，小于預(yù)警值，滿足規(guī)范要求。

圖8 既有1號線線路監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

4.2 既有車站實測變形分析

施工完成時，既有車站各線路監(jiān)測點(diǎn)豎向位移時程曲線如圖9所示。由圖9可知：既有車站各線路沉降規(guī)律相似，隧道交疊處沉降明顯，并向兩端逐漸遞減；左線比右線受開挖影響大，內(nèi)側(cè)軌道比外側(cè)軌道沉降大，其中左軌內(nèi)側(cè)軌道沉降最大，其最大沉降值為4.84 mm，是其他軌道沉降值的1.05～1.29倍；主要影響既有車站線路變形的施工步驟是開挖1-1斷面；各線路沉降均滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 施工完成時既有車站線路監(jiān)測點(diǎn)豎向位移時程曲線

4.3 既有車站變形結(jié)果對比分析

施工完成時，既有車站線路實測結(jié)果與計算結(jié)果對比如圖10所示。由圖10可知：全部施工步驟完成時，既有車站線路實測結(jié)果與計算結(jié)果變化趨勢相似，但實測結(jié)果豎向位移更大，軌道沉降最大值出現(xiàn)在隧道中心上方；左線外側(cè)軌道實際監(jiān)測最大沉降為4.61 mm，是計算結(jié)果沉降值的2.70倍，內(nèi)側(cè)軌道實際監(jiān)測最大沉降為4.84 mm，是計算結(jié)果沉降值的2.38倍；右線外側(cè)軌道實際監(jiān)測最大沉降為3.75 mm，是計算結(jié)果沉降值的1.52倍，內(nèi)側(cè)軌道實際監(jiān)測最大沉降為4.52 mm，是計算結(jié)果

沉降值的2.04倍；實際監(jiān)測結(jié)果最大沉降值是計算結(jié)果最大沉降值的1.52～2.70倍；實測結(jié)果與計算結(jié)果均滿足安全控制要求。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的主要原因為：現(xiàn)場施工過程中支護(hù)不及時，受到平均每3 min一次的列車動載作用，施工步驟銜接速度慢，計算參數(shù)取值與實際參數(shù)存在偏差。

圖10 施工完成時既有車站線路實測結(jié)果與計算結(jié)果對比

5 結(jié)語

結(jié)合實際車站大斷面密接下穿既有車站工程，研究了超大斷面暗挖施工對既有車站結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的影響，將數(shù)值模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。主要結(jié)論為：

1) 下穿施工采用L型梁及馬頭門約束體系、5導(dǎo)洞10斷面分部暗挖法及鋼管柱頂撐工藝等，既能有效控制既有車站的沉降，又保障了既有車站的正常運(yùn)營。

2) 既有車站交疊處沉降明顯，樓板最大沉降值為3.03 mm，橫向影響范圍約為85 m。主要影響施工步驟為新建車站8號線端圍護(hù)樁破除、1-1斷面開挖及二次襯砌1段施作。

3) 既有車站各軌道實測結(jié)果與計算結(jié)果變化趨勢相似，豎向位移數(shù)值相差1～3 mm。實際變形受現(xiàn)場施工過程中支護(hù)不及時、平均每3 min一次的列車動載作用。最大沉降值為4.84 mm，位于左線內(nèi)側(cè)軌道，實測結(jié)果與計算結(jié)果均滿足安全控制要求。