地鐵豎井橫通道下穿既有電車軌道綜合施工技術研究

楊 高

（中鐵建大橋工程局集團第三工程有限公司 遼寧沈陽 110043）

1 引言

新建隧道下穿既有軌道時，必定會對既有軌道造成擾動，致使軌道發(fā)生沉降［1-4］。當沉降過大時，將會對既有列車的正常行駛產(chǎn)生影響，嚴重時甚至會導致破壞，造成生命財產(chǎn)安全隱患［5-7］。因此，在新建隧道時選擇合適的施工方法并制定相應的防護措施，減小對既有軌道沉降的影響，保證其安全性具有重要意義。海濤［8］介紹了深孔注漿加固施工補救措施和既有軌道交通線路應急事故處理方案；何夢超［9］等人以福州地鐵1號線盾構隧道下穿軌道工程為例，運用故障樹分析方法對軌道變形風險進行定量分析；張鵬輝［10］根據(jù)連續(xù)彈性點支承梁模型中路基的差異沉降而導致軌道沉降的計算方法，將地表沉降作為軌道沉降的非線性邊界條件，對軌道沉降進行預測；王住剛［11］根據(jù)西安市軌道交通L3胡家廟站-石家街站區(qū)間穿越隴海鐵路線中的特殊案例，采取地面沉降和管片上浮控制、監(jiān)控測量等技術措施，優(yōu)化了施工并取得良好的經(jīng)濟效益；刁偉軼［12］介紹了隧道下穿鐵路中不同的加固方法，總結了在不同條件下，新建隧道對擬建鐵路區(qū)域的影響。

沈陽地鐵9號線在奧體中心站-奧體東站區(qū)間下穿已有2號線奧體中心站。針對地鐵豎井橫通道下穿電車軌道施工技術進行了全面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，采用“豎井橫通道交替施工”方案，可以有效控制上部軌道沉降，確保了上部有軌電車的正常運營；提高了支護結構的穩(wěn)定性，同時給出了優(yōu)化施工方案?；诒疚奶岢龅氖┕し椒按胧Q井與橫通道順利完工，與此同時還取得了極大的經(jīng)濟效益。豎井、橫通道與有軌電車軌道平面布置見圖1。

圖1 豎井、橫通道與有軌電車軌道平面布置

2 工程概況

沈陽地鐵9號線在奧體中心站下穿2號線奧體中心站，向東達到奧體東站。依據(jù)工程計劃，先施工1號豎井和橫通道，進而施工初支和二襯，然后根據(jù)洞門位置，進行超前小導管注漿并施作臨時支撐。待加固完成，開始馬頭門破除施工。

1號豎井施工方法為倒掛井壁法，鋼筋網(wǎng)掛噴混凝土，初噴厚300 mm。單次開挖取0.5 m并架設格柵鋼支撐。豎井為臨時設計，最后需進行回填。

圖2 豎井與橫通道剖面圖

以臺階法對聯(lián)絡通道進行施工，單次開挖0.5 m后架設格柵鋼支撐，初噴砼厚300 mm。其中豎井、橫通道及區(qū)間隧道的剖面見圖2。

3 下穿施工方案初步確定

豎井轉(zhuǎn)橫通道施工是本區(qū)間工程的重難點，施工難度大、風險高，既要使上部結構正常運行，還應注意安全施工，防止出現(xiàn)安全隱患。根據(jù)目前相關的研究成果和工程經(jīng)驗，確定了豎井轉(zhuǎn)橫通道的施工方案，即“豎井-橫通道交替施工”。

該施工方案的具體步驟:第一步，先進行豎井的開挖，開挖至橫通道上臺階底部標高；第二部，進行豎井封底；第三步，將橫通道上臺階連接處井壁破除，繼續(xù)開挖與支護上臺階；第四步，上臺階施工完成后，完成剩余豎井施工；第五部，破除與橫通道下臺階連接的部分井壁，進行下臺階的開挖與支護。

4 有限元分析

為合理分析該方案施工對既有運行電車軌道及支護結構穩(wěn)定性的影響?；凇柏Q井-橫通道交替施工”的方法，利用有限元軟件對施工全過程進行仿真計算，驗證該施工方案的合理性。

4.1 模型建立

采用有限元軟件對沈陽地鐵9號線十六標段豎井轉(zhuǎn)橫通道施工進行數(shù)值模擬分析，圖3給出了豎井與橫通道施工三維數(shù)值分析模型。其中規(guī)定X軸正向為橫通道掘進方向，Y軸為垂直橫通道方向，Z軸為豎直向上。模型在X、Y、Z三個方向上取尺寸60 m×45 m×40 m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，將粉質(zhì)黏土、礫砂和圓礫三種地層簡化為均質(zhì)水平層狀分布，厚度分別為2.5 m、27.5 m、10 m。數(shù)值模擬中，地層采用六面體實體單元；豎井與隧道初期支護為殼單元，厚度300 mm；格柵鋼架按實際尺寸采用實體單元模擬；軌道基礎為500 mm素混凝土+400 mm卵石基層，鋼軌為一維線單元。整個模型共劃分單元36 535個，節(jié)點14 049個。除地表是自由邊界外，模型其余邊界均為法向約束。

圖3 豎井、橫通道施工有限元模型

根據(jù)沈陽地鐵9號線十六標段區(qū)間勘察資料，土層的物理力學參數(shù)見表1。地層巖土體計算模型采用Mohr-Column本構模型；支護和臨時支撐中由于包含鋼拱架、金屬網(wǎng)、混凝土等，其本構模型采用等效模型；豎井-橫通道結構與鋼軌材料均視為彈性體，物理參數(shù)如表2所示。

表1 土體基本物理力學指標

表2 構件力學指標及相關參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬結果分析

4.2.1 有軌電車軌道沉降分析

圖4為模擬施工完成后既有軌道與軌道基礎所產(chǎn)生的沉降云圖。從圖4可以很直觀地看出，該施工方案引起的最大沉降量出現(xiàn)在橫通道下穿既有軌道區(qū)域，隨著既有軌道與橫通道的水平距離不斷增大，軌道的沉降量越來越小，但總體的沉降量相差不大，最大沉降值為-1.02 mm。

圖4 基礎與軌道豎向位移云圖

為研究施工造成既有電車軌道沉降，本工程采用了智能檢測，并將監(jiān)測點布置在橫通道正上方四條鋼軌節(jié)點處。沉降觀測點的位置見圖5。圖6給出了各觀測點的沉降位移隨著開挖施工的變化規(guī)律。從圖6可以看出，豎井第一步施工對既有軌道的影響不大，沉降值約為-0.08 mm；但隨著橫通道上臺階的施工，既有軌道的沉降速率增大，最大沉降值增長到-0.06 mm；在豎井與橫通道下臺階施工過程中，既有軌道的沉降速率變緩，當該方案施工完成后，產(chǎn)生的最大沉降值約為-1.02 mm。

圖5 測點分布

圖6 測點沉降位移變形曲線

由上可知，采用該施工方案進行豎井轉(zhuǎn)橫通道施工時，對控制既有運行電車軌道變形數(shù)值和速率能取得更好的效果，使得既有運行電車軌道所產(chǎn)生的沉降值均符合安全要求，保證了有軌電車可正常運行。

4.2.2 支護結構穩(wěn)定性分析

地下工程建設過程中，通過觀察支護結構的穩(wěn)定性，能夠清楚地預知圍巖的應力變化。因此，在選擇安全、適宜并可行的施工方案時，支護結構位移變形與應力變化情況的研究作為必不可少的一部分，有助于決策者做出合理判斷。圖7為完工后支護結構位移云圖。從圖中可以看出，在該方案中，馬頭門仰拱處出現(xiàn)最大位移變形，最大值達到3.962 mm。對于橫通道，拱頂及仰拱位移基本在2.98～4.12 mm之間，總體來說，支護結構位移滿足要求，穩(wěn)定性較好。

圖7 支護結構位移云圖

表3為該方案進行施工引起的橫通道不同部位位移分量值。由表可知，施工引起馬頭門拱頂在水平向和豎向的位移分別為3.18 mm和-0.49 mm，仰拱部位分別為-5.54 mm、3.52 mm，兩處的位移變形無太大差異。

表3 馬頭門仰拱處和拱頂處的水平和豎向位移

5 豎井與橫通道施工措施

根據(jù)數(shù)值計算結果，經(jīng)過綜合分析，該工程選擇交替施工方案進行施工。主要重點如下:

（1）在豎井施工中，需在井口位置設置長為8.8 m、寬7.4 m的鎖口圈梁。開挖采用人工和機械開挖相結合方式，開挖至鎖口圈梁底部以下0.1 m。

（2）開挖豎井部土體。地表下5 m范圍的土體人工進行開挖，5 m以下的土體以機械與人工相配合的方式進行開挖，每向下開挖0.50 m便隨即架設一榀格柵鋼架，然后噴射C25混凝土加固井身。開挖方法在無特殊地質(zhì)時采用全斷面法，而遇到地質(zhì)情況不良和有水情況，需分塊，見圖8（1、3、5、7為開挖順序；Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ為格柵鋼架架設順序）。

圖8 開挖支護順序

（3）打設錨桿。凈空滿足要求后，開始以與井壁相差15°的角度打設鎖腳錨桿。在混凝土初噴之前、錨桿打設之后，給井壁施作一層鋼筋網(wǎng)片，噴300 mm厚混凝土封閉，增加井壁在裸露環(huán)境中的安全性。

（4）封底施工。開挖到橫通道上臺階時，要對豎井封底。噴25 mm厚混凝土，終凝后，進行層鋼筋網(wǎng)片鋪設，并架設外圍格柵鋼架，最后完成封底作業(yè)。

（5）馬頭門及橫通道上臺階施工。對馬頭門拱頂部分進行超前支護，然后再破除井壁支護結構進行土方開挖。考慮到橫通道上臺階開挖對地表沉降的影響較大，因此，在嚴格控制進尺為0.5 m的同時，先以超前小導管注漿對土體加固。

（6）橫通道上臺階施工完成以后，開始堵頭墻施工。

（7）豎井剩余部分與橫通道下臺階施工。

6 結論

本文以沈陽地鐵9號線十六標段1#豎井及1#橫通道下穿沈陽有軌電車2號線為工程背景，進行了系統(tǒng)的施工技術分析和既有結構位移響應分析。結果表明，采用“豎井橫通道交替施工”方案，一方面可以有效控制有軌電車軌道沉降，確保有軌電車正常運營；另一方面可以保證豎井與橫通道支護結構穩(wěn)定和安全。在此基礎上，本文提出了該施工方案下具體的施工要點。以上研究為現(xiàn)場施工提供了理論指導，確保了項目的安全順利完工，并取得了極大的經(jīng)濟效益。