地鐵暗挖車站下穿既有地鐵隧道變形控制關鍵技術

陳 浩

(北京市軌道交通建設管理公司,北京 100048)

1 工程簡介

北京地鐵9號線軍事博物館車站位于中華世紀壇南側，斜跨復興路與羊坊店路路口布置，車站主體下穿既有1號線軍博站西端區間結構，與地鐵1號線軍事博物館站呈“T”字換乘關系。如圖1所示。

新建車站下穿既有地鐵1號線區間部分采用分離式單層單洞形式，單洞斷面高10.50 m，寬9.55 m，拱頂與既有1號線區間底板垂直距離10.8 m，“CRD”法施工。該段既有線區間結構為雙跨單層矩形鋼筋混凝土結構，頂板厚0.75 m，底板厚0.7 m，側墻厚0.7 m，縱向每22.8 m設置1道變形縫。軍事博物館站與既有線橫剖面位置關系如圖2所示。

2 工程地質及水文地質

2.1 工程地質

軍事博物館站工程范圍內地形略有起伏，地面高程48.66～50.12 m。下穿既有線區間段結構主要位于礫巖1層，該地層為紫灰色～雜色，弱膠結極軟巖，成巖性較差，強～中等風化。膠結物以強風化的砂泥質物為主，礫石粒徑一般2 mm×3 mm～9 cm×12 cm，局部可達20 cm以上。

2.2 水文地質

圖1 軍事博物館站與既有線平面位置關系

圖2 軍事博物館站與既有線橫剖面位置關系(單位：mm)

軍事博物館站處于工程水文地質分區Ⅲb亞區，場區勘察深度范圍內測到1層地下水，地下水類型為潛水，水位為40.15～41.77 m(埋深8.00～8.70 m)，含水層為卵石、圓礫⑤層。因下穿段結構距含水層最近約9.5 m，隔水層厚度較大，地下水對開挖施工影響較小。

3 既有線變形控制指標

為保證施工期間地鐵既有線的正常運營，既有線結構及軌道變形控制標準如下：

(1)結構沉降≯3 mm，結構上浮≯2 mm，變形縫兩端沉降差異≯1 mm；

(2)軌道下沉≯3 mm，單線兩軌高差≯2 mm；

(3)軌道結構縱向變形坡率≯1/2 500；

(4)最大沉降速率≯1 mm/d。

4 各施工階段變形分配

為了保證下穿施工過程中既有線的變形不突破最終控制指標，把變形指標按照施工階段進行了分解，實現動態、全過程的管理控制，力爭每個施工階段都能有效控制變形發展。見表1。

表1 各施工階段變形控制指標分配

5 下穿既有線施工方案主要技術措施

下穿施工中為控制既有線的變形，除了常規的施工技術措施外，從減少隧道開挖過程中地層損失，限制地層松動圈隨時間發展等方面采取了主動的控制措施，起到了良好的效果。

5.1 地層加固雙層超前注漿管棚

管棚采用雙排R76S自進式錨桿，排距800 mm，間距400 mm，距導洞開挖拱頂400 mm，漿液采用超細水泥。管棚外露50 cm，施工完成后2排對應錨桿焊接鎖定，綁扎鋼筋，澆筑混凝土。雙層超前注漿管棚形成一個近似的鋼筋混凝土板梁體系，能夠對開挖過程中地層應力損失上移形成一定的阻隔和抵抗作用。

5.2 開挖階段地層系統注漿

車站下穿既有線段采用CRD法，左右隧道共12步開挖作業，施工過程中結合現場條件，采取袖閥管同步跟蹤補償注漿措施，隨開挖步序及時、多點、多次對管棚上方地層進行系統注漿，補償地層因開挖產生的損失，保證土體的密實性，減少地層變形。

5.3 既有線結構變形補償注漿

在施工過程中通過設置的既有線變形補償注漿管對既有線結構進行了變形補償注漿。補償注漿在既有線的自動化監測和人工巡視密切配合下進行，做到注漿低壓力、既有線抬升小幅度、多點多次進行，嚴格控制既有線變形縫的差異變形。既有線變形補償注漿基本做到了使既有線結構變形在不大于1 mm/循環的效果，保證了既有線運營的安全和最終變形控制目標的實現。見圖3。

圖3 施工中注漿體系布置(單位：m)

圖5 下穿段施工引起既有線結構線路沉降

5.4 臨時中撐不拆除施工二襯

CRD法施工，臨時中撐的拆除對變形影響較大，因此下穿段二襯施工除分段進行外，暫時不拆除臨時工字鋼中撐，僅破除二襯厚度施工范圍內的噴射混凝土，采用工字鋼上焊接止水法蘭，涂防水膏等措施進行防水補強，臨時中撐澆筑在二襯混凝土內，起到了較好的限制變形作用。

6 施工對既有線影響的安全性評估

為了了解隧道CRD法施工對既有線結構變形的影響，采用基于有限差分的FLAC3D軟件對既有地鐵結構受新建地鐵結構施工的影響進行數值模擬計算和分析。

6.1 計算模型及參數(圖4，表2，表3)

模型邊界條件的選取為側面和底面為位移邊界，模型頂面取為自由邊界，底面采用固定約束，側面采用法向約束。不同的土層采用不同的材料參數模擬，土體采用摩爾-庫侖彈塑性本構模型，新建及既有結構均采用線彈性本構模型，全部單元采用實體單元，共劃分了192 100個實體單元。

計算荷載考慮既有地鐵結構自重、土體豎向自重力及地表均布超載20 kPa等。

圖4 計算模擬整體圖

土層編號土層名稱重度/(kN/m3)壓縮模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內摩擦角/(°)1填土1656040102砂195250290303卵礫20535020384礫巖2135502370405礫巖-1213850237040

表3 下穿段結構參數

6.2 模擬計算結果及分析(圖5)

(1)既有線豎直變形。下穿段結構整體施工結束后既有結構最大沉降為2.38 mm，小于運營安全控制指標3 mm。

(2)變形縫處差異沉降。下穿段施工完畢后南側線路下結構東西側變形縫處差異沉降分別為0.49 mm和0.31 mm，小于運營安全控制指標1 mm。

(3)既有線結構的應力分析。通過模擬計算，在預測的沉降條件下，結構的內力和變形滿足《混凝土結構設計規范》的正常使用極限狀態的裂縫寬度要求和承載能力極限狀態下的安全性要求，結構有足夠的安全儲備(安全系數為3.51)。

7 既有線監測

(1)測點設置。在下穿既有線施工過程中，采用自動化與人工監測相結合，動態與靜態相結合的監測方式，從隧道結構、道床、軌道等幾個方面來監控施工過程中既有線的變形。其中自動化監測測點在隧道結構共布設18個，道床和軌道上共布設8個。

(2)監測結果及分析。下穿施工自2011年4月20日開始，到2011年12月25日結束，既有線結構最大沉降2.1 mm，變形縫差異沉降0.6 mm。其中既有線垂直沉降小于模擬分析值2.38 mm，變形縫差異沉降大于模擬分析值0.49 mm，變形顯示的規律基本相符，數值上的差異是由于在施工過程對既有線結構變形補償注漿造成的，最終滿足了既有線結構和運營安全的需要。

8 結語

隨著城市地鐵建設的發展，新建地鐵線路要大量下穿既有地鐵結構和其他地上、地下結構物，保證既有建筑物安全和正常運營是必須面對的課題。本工程根據其具體特點，通過模擬計算了解既有結構變形規律，針對既有結構變形采取有效的控制措施，結合監控量測，信息化施工，通過主動控制引起變形發生、發展的因素，取得了下穿施工的成功，對類似工程有一定的借鑒意義。

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