新建地鐵車站上穿既有地鐵隧道結構上浮變形預測

許有俊，李文博，王 楓

(1.北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124;2.內蒙古科技大學 建筑與土木工程學院，包頭 014010)

新建地鐵車站上穿既有地鐵隧道結構上浮變形預測

許有俊1，2，李文博1，王 楓1

(1.北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124;2.內蒙古科技大學 建筑與土木工程學院，包頭 014010)

依托北京地鐵4號線西單車站上穿既有1號線區間隧道工程，分析了地鐵上穿工程中所面臨的風險點，建立FLAC3D數值計算模型，對既有線的上浮變形規律進行了研究，并預測了既有線隧道結構的最大上浮變形值為2.9 mm。預測值與現場監控量測結果2.3 mm比較接近，且縱向變形曲線形態相似，均呈正態分布。

新建地鐵車站 上穿 既有隧道結構 上浮 變形

隨著北京市軌道交通的大規模建設，新建地鐵線路、地鐵車站與既有運營地鐵線路的穿越工程會越來越多。在2050年北京市區軌道交通線路規劃圖中，節點車站和地鐵區間穿越段的數目高達118處［1］。如果這些近接穿越工程設計或施工不當，將對既有地鐵線路造成永久性的損害，直接影響地鐵運營安全及周邊環境的安全。北京市軌道交通系統不允許限速運行的規定，更給穿越的設計與施工提出了更高的要求和挑戰。同時，建設單位對今后的穿越工程中提出了既有地鐵線路現狀技術指標不降低、耐久性不受影響及安全儲備要求不減弱等要求，因此對穿越工程引起的既有地鐵線路(車站)的損害程度要求將越來越嚴格。另外限于建設資金及規劃設計等因素的影響，穿越的間距也越來越近，穿越的難度及風險亦越來越大。

新建地鐵線路或車站穿越既有地鐵線路時，主要分為上穿和下穿兩種類型，其面臨的技術難點不同。相比較而言，國內外對下穿既有線的研究較多，其相應的理論及技術相對成熟。而對上穿時開挖卸荷引起的既有線上浮變形預測及控制等相關研究較少，有關文獻資料也比較缺乏，目前仍處于經驗探索階段［2］。

新建地鐵車站上穿既有地鐵線路時，將不可避免地對周圍地層產生擾動，引起地表沉降變形的同時，引起既有地鐵隧道結構上浮變形及產生附加內力(見圖1)。因此，為確保上穿工程的安全施工、以及既有地鐵線路的運營安全，上穿工程中主要從三個方面采取技術措施：①采用合理可靠的施工工法及輔助施工措施，減少對周圍地層的擾動，降低地鐵開挖對地表的影響，確保隧道開挖對地表建筑物和路面的安全;②對既有地鐵隧道結構周圍一定范圍內的土體進行加固，確保既有隧道結構的上浮變形控制在允許的范圍之內，保護既有結構不發生破壞以及運營安全;③加固既有隧道結構，提高其自身抗變形能力［3-4］。

圖1 地鐵車站上穿既有1號線區間隧道

1 工程概況

1.1 站址環境

北京地鐵4號線西單站位于復興門內大街(長安街)與宣武門內大街、西單北大街相交處十字路口的東側，呈南北走向，與1號線西單地鐵車站呈“T”字形換乘。根據車站的平面布置，4號線車站結構分為南段、中間段和北段三段。中間段上穿1號線的區間部位，為兩個單層馬蹄形單洞斷面，中間設聯絡通道，將兩個單洞斷面相連。采用暗挖法施工，長度為46.8 m。新建地鐵4號線西單車站與地鐵1號線區間線路間關系如圖2所示。

圖2 地鐵車站縱斷面(單位：m)

1.2 主要設計及施工參數

1)設計參數 地鐵4號線西單車站過長安街淺埋段采用暗挖法施工，車站形式采用單層馬蹄形單洞斷面。單洞最大斷面為9 900 mm×9 170 mm，初襯采用350 mm厚C40鋼筋混凝土，二襯采用500 mm厚C50鋼筋混凝土，如圖3所示。

圖3 4號線車站上穿1號線區間段橫剖面(單位：mm)

2)開挖步序及大管棚施工 暗挖段采用6步CRD法施工，采用上下臺階預留核心土法開挖，循環進尺0.5 m。先施作左洞，待施工順利通過1號線區間隧道后再施作右洞，以減少對1號線區間隧道土體的擾動。在洞室開挖支前，采用“前拉后夯”多道工序的施工方法施作夯管帷幕及φ325鋼管大管棚，內壓細石混凝土，以穩定工作面，減少暗挖產生的地面沉降，如圖4所示。

圖4 C RD法施工步序

2)深孔注漿加固措施 為控制既有1號線的上浮變形，從1號、3號洞室底部對結構底板與1號線區間隧道兩側土體進行注漿加固。加固范圍主體結構底板下10 m，兩側6.0 m，加固土層底部到達卵石層。同時，為減少對1號線區間單側土層注漿時可能產生的不平衡側壓力，要求導洞開挖25 m后再進行向下土體注漿，并盡量做到對區間結構的兩側土體同時注漿加固。

3)自鉆式預應力抗浮錨桿 在中導洞初期支護完成后，在洞內注漿加固范圍內設置φ32自鉆式中空預應力錨桿，其一端固定于結構底板初期支護。錨桿間距2 m×2 m，10排，每排14根，長度為14 m，桿體上部9 m為自由段，下部5 m為錨固段，錨固段位于加固土層底部，進入卵石層。錨固體直徑0.1 m，軸向拉力設計值100 kN。在下導洞開挖時，用臨時支撐將錨固段固定，初期支護完成后，將洞內錨桿截斷。預應力錨桿上端固定于洞底初期支護，錨桿軸向拉力設計值為200 kN。并根據上浮監測數據及現場觀測1號線區間結構的變化調整錨桿拉力。

2 工程特點

北京地鐵4號線西單車站上穿1號線既有區間隧道，地面是交通繁忙且極其重要的長安街。新建車站上層覆土厚度最薄處約4 m，為人工填土，屬Ⅵ級圍巖，穩定性極差，屬于超淺埋結構。車站底板與1號線既有區間隧道頂凈距僅為0.5 m，既有隧道二襯施工時間較早，沒有配鋼筋，抗變形能力差。同時1號線運營地鐵軌道定位精度高，結構變形影響到軌道變形，進而影響1號線地鐵的運營安全。因此，新建地鐵車站施工時，既要保證長安街的地表沉降值不超過限值，確保地面交通及周邊建筑物的安全;又要保證1號線區間隧道、軌道的上浮變形不超過限值。因此，夾在長安街和地鐵1號線之間的西單車站的設計與施工難度非常大。

3 數值模型計算分析

為對既有線的上浮變形隨施工工序的時空效應變化規律進行研究，采用FLAC3D有限差分軟件，建立三維數值計算模型，對新建地鐵車站的施工全過程進行了模擬(圖5)。模型幾何尺寸為100 m×80 m×60 m。大管棚、小導管加固地層及新建隧道與既有隧道結構襯砌均采用實體單元，中隔壁采用 Shell單元，注漿加固地層效果按提高加固范圍內土體物理力學參數等效，中空預應力錨桿采用Cable單元［5］。

圖5 模型相對關系

3.1 計算參數

根據巖土勘察報告，將土層性質及力學參數相似的土層進行合并，合并為5層，土層參數詳見表1。

表1 土層參數表

3.2 計算結果分析

按照實際的CBD施工工法，并進行適當簡化，對地鐵4號線西單站開挖全過程進行了模擬。左線分為6個小導洞，右線亦分6個小導洞。右線全部開挖完畢并施作初期襯砌及底板后，新建地鐵車站開挖卸荷引起的既有線區間隧道的最大上浮變形值為2.9 mm，大致位于新建地鐵車站的中心處。對既有線隧道結構縱向各點變形值進行提取，得到既有線縱向變形曲線圖，如圖6所示。

根據圖6可知，左線施作底板后，既有線的最大上浮變形值為2.1 mm，右線底板施作完畢后，既有隧道結構的最大上浮變形值為2.9 mm。同時可知，新建隧道開挖卸荷引起下臥既有線隧道結構縱向變形呈正態分布，形成上浮槽。

圖6 既有線隧道結構上浮變形曲線

3.3 監控量測結果分析

為保證既有1號線隧道結構的安全和正常運營，在車站施工期間，對既有1號線地鐵隧道結構進行監控量測。既有線沉降監測分為兩部分：一是采用靜力水準儀，布設方案為：以4號線西單站穿越中心線為基準，在其下寬80 m的區域作為重點監測區域，間距4 m，共布設20個測點(包含基點);二是采用常規監測，即使用電子水準儀和鋼尺監測，測點數量8個。各個施工階段1號線區間結構上浮縱向分布曲線見圖7。

圖7 各個施工階段既有結構縱向變形曲線

根據監控量測結果，新建左線隧道初襯施作完畢后，既有線隧道結構最大上浮變形值為1.5 mm，底板施作后上浮變形增加至1.8 mm;右線隧道初襯施作完畢后，既有線隧道結構最大上浮變形值為2.0 mm，底板施作后上浮變形增加至2.3 mm。施加二襯后，上浮變形值稍有回落，累計最大上浮值為1.901 mm。新建地鐵上穿施工引起既有線結構上浮最大的測點為BJ06，該點位于1號線區間隧道上4號線車站上跨段中部。通過施工期間每天在列車停運后進洞觀察，在既有線加固段，結構并無新增和加寬的裂縫，道床裂縫也無明顯增加。因此，1號線區間隧道的結構安全可以得到保證。

通過最近100 d的監測情況，百日變形值為0.058 mm，變化速率0.000 6 mm/d，由此可以判斷既有線隧道結構已基本穩定。

4 結論

新建上穿地鐵車站施工引起的既有線區間隧道結構縱向上浮變形曲線呈正態分布，實測最大上浮變形值2.3 mm，數值計算預測結果為2.9 mm。預測結果與實際監測結果吻合較好，均未超過建設單位所規定的限值4.0 mm。說明對既有1號線周圍土體加固措施有效地控制了既有線的上浮變形，確保了既有線的運營安全。同時證明數值模擬手段可以預測既有線上浮變形，并為今后上穿工程的安全實施提供參考。

致謝 感謝北京城建設計研究總院為本文提供了工程基礎資料。

［1］張曉麗.淺埋暗挖法下穿既有地鐵構筑物關鍵技術研究與實踐［D］.北京：北京交通大學，2007.

［2］朱劍.新建上穿車站施工對既有隧道結構變形的影響及控制研究［D］.北京：北京工業大學，2010.

［3］盧光杰.上穿工程對既有地鐵隧道結構變形影響及控制研究［D］.北京：北京交通大學，2007.

［4］畢強，吳金剛，馬杰.新建隧道近距離上穿既有隧道的力學分析及工程處理措施［J］.鐵道建筑，2009(8)：50-54.

［5］陶連金，張印濤，唐四海.礦山法開挖近距離上穿北京既有線隧道的三維數值模擬［C］//地下工程施工與風險防范技術.2007第三屆上海國際隧道工程研討會文集，上海：同濟大學出版社，2007：560-565.

U231+.4;U455

B

1003-1995(2011)03-0070-04

2010-10-12;

2010-12-10

國家科技支撐計劃項目“城市地下空間建設技術研究與工程示范”(2006BAJ27B05)資助。

許有俊(1979— )，男，內蒙古杭錦后旗人，講師，博士研究生。

(責任審編 趙其文)