下穿既有地鐵車站的換乘節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

成朋健

（成都暢達(dá)通檢測(cè)技術(shù)股份有限公司,四川 成都 610095）

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高和完善，新線建設(shè)中出現(xiàn)換乘車站情況日益增多，車站周邊需要建設(shè)的構(gòu)筑物日趨復(fù)雜，先期預(yù)留條件未必能滿足后續(xù)新線的要求，換乘車站建設(shè)及改造也會(huì)更具挑戰(zhàn)性，根據(jù)實(shí)際情況制定安全、合理、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案顯得尤為重要。

1 工程概況

成都軌道交通30號(hào)線某車站，與既有6號(hào)線車站呈T節(jié)點(diǎn)換乘。車站位于交叉路口西側(cè)，沿道路東西向敷設(shè)，采用地下三層島式站臺(tái)車站。既有6號(hào)線車站為地下二層島式站臺(tái)車站。

30號(hào)線負(fù)三層下穿既有6號(hào)線。下穿段頂板與6號(hào)線底板共板設(shè)置。6號(hào)線中間跨底板后期開(kāi)孔改造，以作為換乘通道使用。通道斷面為單層三跨矩形，長(zhǎng)約30.8 m，寬25.2 m，高7.4 m，兩側(cè)為30號(hào)線明挖基坑，車站主體基坑深度24.7 m。車站南側(cè)距離既有6號(hào)線B出入口0.5 m，四周有德必川報(bào)易園2層混凝土框架以及新華文軒6層磚混等建構(gòu)筑，導(dǎo)致地下管線眾多，周圍環(huán)境復(fù)雜，同時(shí)項(xiàng)目存在較大巖層裂隙水、施工場(chǎng)地不足等制約因素，如1和圖2所示。

圖2 換乘節(jié)點(diǎn)負(fù)三層橫剖面圖

2 換乘節(jié)點(diǎn)工法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

基坑深度范圍內(nèi)從上往下依次分布有〈1-2〉雜填土、＜2-5-2〉中細(xì)砂（稍密）、＜2-5-4〉中細(xì)砂（密實(shí)）、＜2-9-2〉卵石土（稍密）、＜2-9-3〉卵石土（中密）、＜2-9-4〉卵石土（密實(shí)）、＜5-1-2〉強(qiáng)風(fēng)化泥巖（K2g）、＜5-1-3〉中等風(fēng)化泥巖（K2g）等土層，負(fù)三層換乘節(jié)點(diǎn)主要位于〈5-1-2〉強(qiáng)風(fēng)化泥巖（K2g）、＜5-1-3〉中等風(fēng)化泥巖（K2g）。地下水位為地面以下2 m，場(chǎng)地地下水主要有第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種。

圖1 項(xiàng)目位置示意圖

既有6號(hào)線預(yù)留條件：①既有6號(hào)線側(cè)墻及底板換乘節(jié)點(diǎn)處已預(yù)留的暗梁暗柱，但預(yù)留條件不滿足接口要求，需進(jìn)行改造；②預(yù)留暗挖條件：換乘節(jié)點(diǎn)處既有6號(hào)線東西兩側(cè)采用φ1 200 mm圍護(hù)樁已嵌固至30號(hào)線基坑底部下方5 m；在30號(hào)線左線及中間跨范圍6號(hào)線底板下已經(jīng)預(yù)留的板凳樁，但右線跨南側(cè)未預(yù)留，板凳樁上半段8.42 m范圍直徑為φ1 200 mm、φ1 000 mm，下半段直徑為φ1 600 mm、φ1 400 mm（樁長(zhǎng)約17.25 m，底端擴(kuò)底長(zhǎng)約2.4 m）；同時(shí)隧道開(kāi)挖范圍板下預(yù)留的φ1 200 mm半截分隔樁，L=12 m。6號(hào)線明挖基坑的支護(hù)采用φ1 200 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐形式，基坑深度為24.7~26.5 m，圍護(hù)樁嵌入深度為3.0 m。

換乘節(jié)點(diǎn)位于正在通車運(yùn)營(yíng)的地鐵6號(hào)線車站正下方，周邊臨近建構(gòu)筑物及管線較多，同時(shí)結(jié)合本站換乘節(jié)點(diǎn)地層情況以及既有 預(yù)留情況，換乘節(jié)點(diǎn)施工工法以及負(fù)三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮對(duì)既有地鐵線及鄰近建筑物的保護(hù)。具體保護(hù)思路如下：

2.1 車站整體施工工序

基坑環(huán)境復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格，且基坑較深，為了保證既有車站兩側(cè)受力平衡，控制基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵隧道的影響，本車站基坑采用分期施工方案，即先施工既有6號(hào)線地鐵的兩側(cè)明挖基坑，完成明挖部分主體結(jié)構(gòu)（一期），待主體封頂以后再施工換乘節(jié)點(diǎn)部分（二期）。

2.2 蓋挖開(kāi)挖工序及C型導(dǎo)墻

換乘節(jié)點(diǎn)單層為三跨框架結(jié)構(gòu)。北側(cè)跨和中間跨能夠利用既有6號(hào)線預(yù)留板凳樁進(jìn)行開(kāi)挖。南側(cè)跨未預(yù)留板凳樁。為控制蓋挖施工對(duì)既有地鐵車站影響，需提前在南側(cè)跨設(shè)置豎向傳力結(jié)構(gòu)，因此需要先在右線施工導(dǎo)洞，完成半跨主體兼做豎向傳力結(jié)構(gòu)。

2.3 疊合頂板

車站負(fù)三層位于中風(fēng)化泥巖，裂隙水壓較大，同時(shí)施工既有6號(hào)線底板未預(yù)留與負(fù)三層側(cè)墻連接鋼筋接駁器，若破除防水層，采用植筋連接，既不滿足地鐵耐久性要求，同時(shí)無(wú)法保證施工質(zhì)量以及側(cè)墻頂部承載水平力要求。因此在6號(hào)線底板下方增設(shè)一層疊合頂板，作為負(fù)三層側(cè)墻水平傳力結(jié)構(gòu)，提高新舊連接部位防水性能，對(duì)6號(hào)線底板加強(qiáng)，減小后續(xù)對(duì)既有6號(hào)線底板開(kāi)洞改造帶來(lái)的影響。

2.4 基坑降水方案

基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的地層主要為強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥巖層，頂部為砂卵石土層，受限于場(chǎng)地限制，為減小對(duì)既有車站以及周報(bào)建構(gòu)筑物影響，采用坑內(nèi)降水，同時(shí)起到疏干土體的作用。采用φ600管井降水，換乘節(jié)點(diǎn)兩端南北兩側(cè)布置降水井，降水井深度為基底6 m，基坑施工期間保持坑內(nèi)水位在開(kāi)挖面以下1 m。由于兩端降水井緊靠車站，降水影響范圍大，而地下水位的變化會(huì)引起地鐵車站結(jié)構(gòu)受力的變化，降水亦對(duì)沉降有一定的影響，因此蓋挖施工期間，在基坑外設(shè)立一定的回灌井，盡量減小坑內(nèi)降水對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)及周邊建筑物的影響。

3 換乘節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

3.1 暗挖導(dǎo)洞支護(hù)設(shè)計(jì)

導(dǎo)洞采用礦山法施工，考慮南側(cè)跨中部有一排預(yù)留的廢棄分隔樁，導(dǎo)洞開(kāi)挖寬度設(shè)置為3.9 m，開(kāi)挖高度為7.5~7.67 m，導(dǎo)洞初期支護(hù)與二次襯砌間敷設(shè)柔性防水層，形成復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其余主體防水體系設(shè)置與明挖主體一致。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚300 mm，由網(wǎng)噴混凝土、鎖腳錨管、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等支護(hù)形式組合形成。二襯襯砌結(jié)構(gòu)底板為1 000 mm，側(cè)壁為900 mm，疊合頂板為700 mm。

由于導(dǎo)洞頂部緊靠6號(hào)線底板，為控制暗挖施工對(duì)車站沉降影響，遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量”的18字方針[1]，只能在導(dǎo)洞兩側(cè)設(shè)置超前小導(dǎo)管支護(hù)加固。考慮導(dǎo)洞開(kāi)挖寬度較小，采用上半斷面臨時(shí)閉合法開(kāi)挖，鋼架采用工22a型鋼鋼架，間距50 cm。拱架之間采用環(huán)向間距1 m的鋼筋連接，并在拱架拱腳施作鎖腳錨管，注水泥漿。

3.2 蓋挖施工工序

導(dǎo)洞內(nèi)C型導(dǎo)墻施工完成后，結(jié)合6號(hào)線預(yù)留板凳樁，作為剩余開(kāi)挖階段的豎向臨時(shí)支撐構(gòu)件，但考慮換乘節(jié)點(diǎn)開(kāi)挖寬度較大，預(yù)留板凳樁設(shè)計(jì)強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度存在差異，施工期間6號(hào)線運(yùn)營(yíng)列車對(duì)底板持續(xù)沖擊振動(dòng)，為減小開(kāi)挖對(duì)6號(hào)線底板受力及變形影響，剩余蓋挖部分從上向下，從西向東，逐層逐部開(kāi)挖。

3.3 三維數(shù)值分析檢算

3.3.1 建模思路

車站換乘節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需考慮施工以及運(yùn)營(yíng)兩個(gè)階段受力變形分析[2]。

施工階段采用“地層--結(jié)構(gòu)模型”進(jìn)行受力及變形分析。使用期間采用“荷載--結(jié)構(gòu)模型”進(jìn)行受力及變形分析（如圖3所示）。

圖3 三維有限元模型（mm）

3.3.2 分析結(jié)果

通過(guò)在施工階段與運(yùn)營(yíng)階段工況下模型計(jì)算，對(duì)既有6號(hào)線車站驗(yàn)算結(jié)果如下：

（1）如圖4所示地表沉降最大約4.19 mm＜20 mm（控制值）。

圖4 地表沉降（mm）

（2）主體變形驗(yàn)算：

既有6號(hào)線頂板：最大豎向變形約1.90 mm＜10 mm（控制值）。

既有6號(hào)線中板：最大豎向變形約1.80 mm＜10 mm（控制值）。

既有6號(hào)線底板：最大豎向變形約3.00 mm＜10 mm（控制值）。

（3）強(qiáng)度驗(yàn)算：既有6號(hào)線結(jié)構(gòu)底板跨中最大彎矩設(shè)計(jì)值為218 kN·m，支座彎矩設(shè)計(jì)值為663 kN·m，最大剪力399 kN，經(jīng)核算底板跨中配筋采用Φ28@100 mm，支座Φ32@100 mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

（4）裂縫驗(yàn)算：既有6號(hào)線底板支座最大裂縫為0.17 mm≤0.2 mm（控制值）；側(cè)墻支座最大裂縫為0.2 mm（控制值）≤0.2 mm（控制值），裂縫寬度滿足設(shè)計(jì)要求。

（5）地基承載力驗(yàn)算：施工階段及運(yùn)營(yíng)階段于地基頂部壓力為Pmax=350 kPa＜fak=500 kPa（中等風(fēng)化泥巖），地基承載力滿足要求。

（6）抗浮及樁基驗(yàn)算：通過(guò)車站在考慮抗拔樁、壓頂梁及部分圍護(hù)樁兼抗拔后，車站抗浮系數(shù)k=1.56＞1.15（控制值）滿足要求；底板預(yù)留板凳樁的抗拔及豎向承載力均滿足要求。

綜上所述，施工階段30號(hào)線暗挖下穿施工對(duì)既有6號(hào)線的影響在可控范圍內(nèi)，符合要求；運(yùn)營(yíng)階段車站主體結(jié)構(gòu)變形、強(qiáng)度、裂縫及抗浮均滿足要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

基坑開(kāi)挖期間對(duì)基坑變形、地鐵及臨近建（構(gòu)）筑物的沉降等進(jìn)行了緊密監(jiān)測(cè)。換乘節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)既有6號(hào)線底板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DM5-2~DM8-1。監(jiān)測(cè)時(shí)間從30號(hào)線暗挖下穿施工至負(fù)三層主體施工完成。底板變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示：

圖5 既有6號(hào)線車站底板（DM5-2~DM8-1）豎向位移累計(jì)曲線（mm）

各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史最大值如下：地鐵車站道床及底板最大豎向位移1.8 mm＜10 mm（控制值）；道床左右差異沉降0.74 mm＜4 mm（控制值）；道床縱向差異沉降0.96 mm＜4 mm（控制值）。

5 結(jié)語(yǔ)

鄰近既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路修建隧道及車站，其首要管理目標(biāo)是保證既有線路的使用安全。針對(duì)新建30號(hào)線車站換乘節(jié)點(diǎn)施工所處的復(fù)雜地質(zhì)條件，采取了科學(xué)、合理的施工技術(shù)，嚴(yán)格施工流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)既有6號(hào)線底板的加強(qiáng)，提高了新舊結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量及耐久性，保證了運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)受力安全性、結(jié)構(gòu)防水的耐久性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示，負(fù)三層換乘節(jié)點(diǎn)施工對(duì)兩側(cè)明挖基坑變形，地鐵沉降變形、周邊建（構(gòu)）筑物沉降等均在可控范圍，且工程實(shí)施未影響既有地鐵6號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)及臨近建（構(gòu)）筑物的正常使用。該案例所采取的施工技術(shù)對(duì)減小既有地鐵的影響效果良好，為車站換乘節(jié)點(diǎn)施工提供了借鑒思路。