暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施

王春希

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司城建院，西安 710043)

1 工程及地質概況

北京地鐵7號線廣渠門外站～雙井站區間左右線下穿既有10號線雙井站暗挖段，10號線雙井站為中間單層暗挖，兩端三層明挖的車站，單層暗挖段為單柱雙跨馬蹄形隧道，寬20 m，高9.64 m，采用中導洞+CRD法施工，中心里程處的軌面高程為16.661 m。該段擬建7號線區間隧道為單洞單線隧道，隧道埋深23.5 m，埋深較大，從10號線雙井站暗挖段下方緊貼結構下穿雙井站，隧道上方管線密布，主要有2.0 m×2.35 m 的電力管溝，5.6 m×3.0 m 的熱力管溝，周邊環境復雜，沉降控制是本工程的難點。隧道與既有站剖面關系見圖1、圖2。

本區段地質條件為第四系沉積物，以古金溝河故道和古金溝河故道河間地塊沉積為主，表層以厚度不均的人工堆積的房渣土、素填土為主，以下為第四紀沉積的粉土、粉質黏土、粉細圓礫卵石、卵石層。地下水類型為上層滯水、潛水，局部分布有承壓水。上層滯水埋深一般為2～6 m，潛水層埋深起伏較大，一般在8～15 m，承壓水埋深16.3 m，含水層主要為砂土、圓礫卵石層。

圖1 隧道與既有站橫剖面關系(單位:m)

圖2 隧道與既有站縱剖面關系(單位:m)

2 既有10號線雙井站安全性評估及變形控制指標

依據《北京地鐵7號線廣渠門外站～雙井站區間隧道工程下穿既有地鐵10號線雙井站安全性影響評估報告》，既有地鐵10號線結構變形控制值為3 mm。軌道結構及主體結構變形控制指標見表1。

表1 軌道結構及主體結構變形控制指標

3 計算分析

3.1 模擬工況選擇

根據周邊環境、地質條件、既有站沉降控制要求等因素，并確保既有線運營安全，最大限度地減少對既有線列車正常運營的影響，研究分析下面兩個方面:(1)不同工法的比較，不考慮任何預加固措施，主要比較全斷面法、臺階法和CRD法3種工法情況;(2)不同加固范圍的影響，考慮4種不同加固范圍情況:不考慮任何預加固措施(工況1);僅考慮隧道掌子面加固(工況2);考慮施工隧道掌子面加固和隧道左右側加固3 m(工況3);考慮施工隧道掌子面加固、和隧道左、右及底部加固3 m)(工況4)。

10號線雙井站暗挖段初期支護采用350 mm厚C25噴射混凝土+格柵鋼架，二次襯砌采用700 mm厚模筑鋼筋混凝土，區間隧道初期支護采用350 mm厚C25噴射混凝土+格柵鋼架，臨時支護及設置千斤頂處采用型鋼鋼架;二次襯砌采用模筑C40鋼筋混凝土，抗滲等級P10，頂板、側墻厚600 mm，底板厚700 mm。

3.2 選擇計算模型和計算參數

對以上兩個方面采用FLAC3D程序分別進行理論計算。為減少邊界約束效應，計算范圍按左右邊界距隧道中心線距離3～5倍洞徑考慮，底部邊界距隧道底部的距離按3～5倍隧道高度考慮。計算模型尺寸為60 m×109.6 m×58.513 m，模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界。圍巖及二次襯砌結構均采用八節點六面體單元來模擬，初期支護采用殼單元來模擬，模型共劃分了149 084個節點和138 000個單元。三維計算模型如圖3所示。

圖3 整體三維計算模型

圍巖視為摩爾-庫侖理想彈塑性材料，支護結構及襯砌結構視為彈性材料。圍巖、加固區、二次襯砌及初期支護的物理力學指標如表2、表3所示。

表2 圍巖各層物理力學性能指標

表3 初期支護、二次襯砌及加固區物理力學性能指標

3.3 不同工法既有車站監測結果分析

3種工況下既有車站豎向位移圖分別如圖4、圖5和圖6所示;既有車站豎向最大位移如表4所示。

圖4 全斷面法施工既有車站結構的豎向位移(單位:m)

圖5 臺階法施工既有車站結構的豎向位移(單位:m)

圖6 CRD法施工既有車站結構的豎向位移(單位:m)

表4 既有車站豎向最大位移

由圖4～圖6和表4可以看出，3種不同工況下，隧道采用全斷面法和臺階法施工導致的既有車站的豎向位移都較大，而CRD法施工引起的既有車站的豎向位移較小，為另兩種工法引起的豎向位移的一半不到，說明CRD法對控制豎向位移效果顯著。

3.4 不同加固范圍的比較

根據上面研究結果，對下穿隧道建議采用CRD法施工，但不考慮任何預加固措施情況下，區間隧道的施工不能滿足既有線變形控制要求，下面考慮不同加固情況下，區間隧道施工引起既有線結構及軌道的豎向位移。

(1)既有車站豎向位移

工況4(考慮施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)既有車站豎向位移如圖7所示;4種不同工況下既有車站豎向最大位移如表5所示。

圖7 工況4既有車站結構的豎向位移(單位:m)

表5 既有車站結構豎向最大位移值 mm

由圖7和表5可以看出，工況4(考慮施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)引起既有結構的豎向位移最小，工況3(考慮施工隧道掌子面加固和隧道左右加固3 m)引起既有結構的豎向位移較工況4相差較小。

(2)既有車站軌道豎向位移

既有車站軌道示意如圖8所示，圖9為工況4(考慮施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)既有車站軌道豎向位移曲線圖;圖10和圖11為既有車站軌道與區間右隧道拱頂交界處的點的豎向位移隨開挖步的關系。4種不同工況下既有車站軌道豎向最大位移如表6所示。

圖8 既有車站軌道示意

圖9 既有車站軌道豎向位移

圖10 軌道1與區間右隧道拱頂交界處點的豎向位移隨開挖步的關系

圖11 軌道2與區間右隧道拱頂交界處點的豎向位移隨開挖步的關系

表6 既有車站軌道豎向最大位移 mm

由圖9、圖10、圖11和表6，根據數值模擬結果可以看出，4種不同工況下既有車站豎向位移最大值發生位置均在區間隧道拱頂與既有車站底板的交界處，區間隧道開挖至既有車站軌道前，既有車站軌道已發生豎向變形，區間隧道開挖至既有車站軌道后25 m范圍左右，既有車站軌道豎向位移達到最大，最終趨于穩定，4種不同工況下既有車站軌道豎向位移最大值比較結果為工況4最小，工況1最大，工況3與工況4相差不大，說明考慮隧道底部加固3 m對減小既有車站豎向變形作用效果不明顯，考慮施工隧道掌子面加固和隧道左右加固3 m對減小既有車站軌道豎向變形效果顯著。

4 具體工程措施

根據以上分析，下穿隧道主要采用CRD法施工，掌子面及周邊一定范圍土體深孔注漿加固措施控制既有線車站結構沉降變形。

施工前，對既有線采取以下措施。

(1)對鋼軌、扣件及道床等進行全面檢查，調整后軌道狀態滿足《工務維修規則》中“計劃維修”標準的要求。并在下穿作業開始后即采取限速運行，限速建議值20～30 km/h。

(2)在既有線站內實施第三方監測，制訂周密的監測方案，對軌道結構變形進行監測。采用遠程監控系統對其結構及軌道變形等進行全天候的實時監控量測，及時反饋信息，指導建設單位的施工和運營部門采取相應的安全措施。

施工采取的具體措施如下。

(1)隧道開挖前，進行深孔注漿加固掌子面和隧道左右3 m土體，注漿漿液主要采用普通水泥-水玻璃雙液漿，具體配比根據現場試驗確定，注漿壓力建議值為0.5～1.0 MPa。要求加固后的開挖面土體無側限抗壓強度達到0.6 MPa，周邊土體加固區達到1.2 MPa，滲透系數≤10-6cm/s。

(2)施工方法采用CRD法開挖，左右線對稱進行，按外側上貫通→外側下貫通→澆筑二襯→內側上貫通→內側下貫通→澆筑二襯的總體步序進行各洞室施工，各洞室采用臺階法開挖，保留核心土，上下臺階縱向步距2～3 m。施工中嚴格控制開挖進尺為0.5 m，嚴格控制超挖;各部施工應連續作業，盡早封閉成環，減少掌子面暴露時間。

(3)初支及二襯背后注漿施作初支時應預埋φ32 mm注漿管，初支施作完畢后注漿回填初支與土層間的空隙。注漿壓力控制在0.3 MPa，注漿管布置間距:拱部 0.5 m(環向)×0.5 m(縱向)、邊墻及仰拱1.0 m(環向)×1.0 m(縱向)，施工過程中根據沉降情況，進行多次補注漿。二襯模筑時預埋注漿管，二襯完成后及時在其背后壓注水泥漿液。

(4)當沉降超警戒值時，啟動千斤頂頂升及隧道底部3 m加固土體措施，設置千斤頂處采用型鋼鋼架，利用千斤頂調節控制雙井站及地面沉降;千斤頂最大頂力不超過1 000 kN，行程不小于100 mm，千斤頂具備單獨頂升和整體協同頂升的功能。在上層洞室封閉成環后，施加300 kN預頂力，按5 t分級逐級加載，下層洞室封閉成環后，再根據既有線沉降監測情況，隨時調整千斤頂頂力，及時有效控制既有線車站沉降。千斤頂處鋼架總裝見圖12。

5 結語

圖12 千斤頂處鋼架總裝圖(單位:cm)

通過計算分析，采用CRD工法開挖，較全斷面法及臺階法對控制既有車站結構和軌道豎向位移效果顯著;隧道掌子面及周邊一定范圍土體采用深孔注漿加固，可以有效控制既有車站結構及軌道豎向變形，滿足既有線結構使用和運營要求。工況3、工況4兩種加固范圍均滿足地鐵10號線結構及軌道變形控制值，工況3與工況4的區別是對隧道底部是否進行加固，工況3較工況4具有施工簡便，節約造價及工期等優點，沉降控制滿足既有線車站結構及軌道沉降變形。綜合考慮推薦工況3，即采用CRD工法開挖，掌子面和隧道左右3 m加固地層的方案。

北京地鐵7號線廣渠門外站—雙井站區間暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施是本工程隧道設計中的難點問題之一，目前隧道已順利貫通。結合廣渠門外站—雙井站區間暗挖隧道下穿既有站的設計方案、理論分析及施工情況，闡述了暗挖隧道采用的沉降控制措施，以供后續類似項目參考和借鑒。

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