平頂直墻暗挖密貼下穿既有車站施工的運(yùn)用分析與研究

李余江

摘? 要：文章以成都地鐵某工程采用平頂直墻大斷面暗挖法密貼下穿既有線車站施工為背景，提出并分析各設(shè)計(jì)施工方案優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)本工程采用的施工步序、施工工藝及其施工要點(diǎn)等進(jìn)行研究總結(jié);同時(shí)利用有限元計(jì)算分析新建暗挖對(duì)既有車站的沉降影響，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)施工方案的合理性。為今后類似重大工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：平頂直墻;暗挖;密貼下穿;既有線;監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0046-04

Abstract： This paper puts forward and analyzes the advantages and disadvantages of each design and construction scheme based on the background of the construction of the station under the existing line by the concealed excavation method with flat roof and straight wall in a Chengdu subway project. the construction sequence， construction technology and construction key points adopted in this project are studied and summarized. At the same time， the influence of the newly built underground excavation on the settlement of the existing station is analyzed by finite element calculation， and compared with the actual monitoring， the rationality of the design and construction scheme is verified. It provides a reference for the design and construction of similar major projects in the future.

Keywords： flat roof straight wall; underground excavation; close penetration; existing line; monitoring

平頂直墻暗挖工法是在隧道因特殊外部條件無法按傳統(tǒng)拱形斷面實(shí)施時(shí)，采取的一種特殊施工工法;與傳統(tǒng)拱形斷面工法比較，該工法可以暗挖方式實(shí)現(xiàn)平頂直墻結(jié)構(gòu)斷面，其技術(shù)特點(diǎn)導(dǎo)致其在風(fēng)險(xiǎn)控制、沉降控制、進(jìn)度控制等方面有一定劣勢(shì)[1]。但隨著地鐵工程的高速發(fā)展和施工技術(shù)的日漸成熟，新建地下工程采用平頂直墻暗挖密貼下穿既有車站區(qū)間隧道的情況越來越多，且對(duì)既有線的影響和挑戰(zhàn)也越來越大，故對(duì)該方法的研究對(duì)后續(xù)類似工程具有重要意義。本文以成都軌道交通8號(hào)線一期工程倪家橋站負(fù)三層暗挖下穿既有1號(hào)線車站為例，淺談平頂直墻暗挖法密貼下穿既有車站施工。

1 工程概況

新建成都軌道交通8號(hào)線一期工程倪家橋站與1號(hào)線、18號(hào)線進(jìn)行換乘。其中8號(hào)線車站需在負(fù)三層暗挖大跨度下穿既有1號(hào)線車站，暗挖段初襯結(jié)構(gòu)密貼既有1號(hào)線車站底板（圖1），采用平頂直墻暗挖法施工，暗挖開挖寬度22.7m，開挖高度8.35m，長18.7m，暗挖段上半部分為中密卵石土層，下半部分為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，中風(fēng)化泥巖位于暗挖底板下2～3m。暗挖段滲透系數(shù)為0.028～2.01m/d，平均為0.44m/d，屬弱～中等透水層。其中既有1號(hào)線是連接成都中心城區(qū)和天府新區(qū)的重要交通工具，人流量大、重要性高、意義特殊，8號(hào)線下穿過程中一旦出現(xiàn)問題，將影響1號(hào)線的運(yùn)營，后果不堪設(shè)想;且該站位于人民南路與倪家橋路交叉口，人流、車流量較大，下穿施工風(fēng)險(xiǎn)高，為特別重大風(fēng)險(xiǎn)工程。暗挖隧道密貼大跨度下穿1號(hào)線斷面圖如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)和施工方案

平頂直墻暗挖法是在開挖時(shí)，將整個(gè)洞室分為若干垂直向的幾個(gè)導(dǎo)洞，每個(gè)導(dǎo)洞塊進(jìn)行初襯以及二襯頂板、底板、邊墻，并盡早形成豎向傳力體系，以保證洞頂土體穩(wěn)定，這樣逐步完成整個(gè)地下洞室開挖并澆筑的過程[2]。為保證地鐵1號(hào)線運(yùn)營安全，根據(jù)8號(hào)線下穿1號(hào)線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、位置關(guān)系、水文地質(zhì)條件以及施工安全、進(jìn)度、成本等，結(jié)合平頂直墻暗挖隧道有土體開挖易坍塌、地表沉降量敏感等特點(diǎn)，在綜合研究國內(nèi)外工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，暗挖橫向共分為5部10個(gè)斷面進(jìn)行施工（圖2）。為保證開挖過程中土體穩(wěn)定，在施工前首先對(duì)所有的開挖土體進(jìn)行全斷面深孔注漿加固，再對(duì)土體進(jìn)行分導(dǎo)洞開挖，并提出以下分部施工方案：

方案一：對(duì)暗挖土體全斷面注漿后，先分導(dǎo)洞開挖完整個(gè)地下洞室斷面、施做鋼管群樁（支撐1號(hào)線中柱）后一次施做二襯。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可很大程度上縮短工期、降低成本，減短對(duì)既有線影響的時(shí)間;缺點(diǎn)是施工過程中對(duì)沉降控制不利。

方案二：對(duì)暗挖土體全斷面注漿后，分別進(jìn)行1、2、3、4、5導(dǎo)洞開挖、襯期支護(hù)、二襯施工。縱向分2次進(jìn)行二襯澆筑，第一次在各導(dǎo)洞上臺(tái)階洞通、下臺(tái)階開挖至中柱處澆筑，第二次澆筑剩余部分;第一次澆筑長度10m（過1號(hào)線中柱），第二次澆筑剩余長度8.7m。該方案優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)了土體開挖、初支砌筑階段的防坍塌設(shè)計(jì)以及二襯砌筑過程中的受力轉(zhuǎn)換步序設(shè)計(jì)，使其盡早形成封閉受力體系，也可最大程度降低沉降和既有線變線，確保既有1號(hào)線安全;缺點(diǎn)是工期長、成本高、施工工序繁雜，且對(duì)既有1號(hào)線影響時(shí)間長。

方案三：對(duì)暗挖土體全斷面注漿后，先開挖1、2導(dǎo)洞至中柱處，施工鋼管群樁后，開挖兩邊3、4導(dǎo)洞，洞通后施做3、4導(dǎo)洞的底板、頂板、兩邊側(cè)墻以及已開挖的1、2導(dǎo)洞底板、側(cè)墻、頂板，最后開挖剩余導(dǎo)洞并施做剩余二襯。與第一種方案相比，沉降變形控制得到了加強(qiáng)，但是施工周期更長，成本也更高。與第二種方案相比，縮短了工期，降低了成本，但沉降變形控制受到了削弱。

經(jīng)綜合分析，結(jié)合本工程下穿既有1號(hào)線的高風(fēng)險(xiǎn)性以及既有1號(hào)線的重要性和特殊性，并經(jīng)過專家論證，本工程采用方案二施工。因方案二在開挖過程中將上部構(gòu)筑物受力變形、開挖土方帶來的承載力缺失等各種因素造成的既有車站結(jié)構(gòu)變形沉降控制在最小，可保持新建工程順利推進(jìn)，也可保證既有1號(hào)線的正常運(yùn)營。

3 具體施工步序及工藝過程

3.1 注漿加固

為了確保開挖過程中土壤的穩(wěn)定性，在施工前首先對(duì)所有開挖的土壤進(jìn)行全斷面的深孔灌漿加固。擬改善土層，提高土體承載能力和自穩(wěn)能力并封堵地下水，確保開挖過程中不出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)坍塌，減小開挖風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也對(duì)開挖時(shí)損失的承載力進(jìn)行了受力托換，減小既有結(jié)構(gòu)物的變形和沉降，確保既有線運(yùn)營安全。

3.2 暗挖施工

因平頂直墻暗挖隧道施工工法特點(diǎn)決定其沉降控制偏弱，為確保既有線運(yùn)營安全，本工程暗挖通道的5部10個(gè)斷面均采用緊跟掌子面的較剛性支護(hù)和短進(jìn)尺的開挖方法，每部采用上下臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐開挖，預(yù)留核心土。開挖面積211.77m2，開挖寬度及高度分別為23.4m、9.05m，上下臺(tái)階開挖高度分別為4.7m、4.35m。上下臺(tái)階開挖均采用微臺(tái)階法施工，臺(tái)階錯(cuò)開長度2～2.5m，每循環(huán)進(jìn)尺均控制在一榀鋼架間距內(nèi)（0.5m）。分部每循環(huán)開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)、鎖腳錨管、超前注漿錨管，確保沉降控制。該工法可減小平頂直墻導(dǎo)洞的尺寸，減小每次開挖的跨度，并充分利用初襯隔壁的承載能力，降低既有結(jié)構(gòu)的沉降變形，確保新建暗挖施工安全和既有線的正常運(yùn)營。主要橫縱工序如下：

（1）橫向施工步序（圖3）

第一步：進(jìn)行小導(dǎo)洞1-1斷面開挖，并施工初襯和鎖腳錨管;施工6m后進(jìn)行小導(dǎo)洞1-2斷面開挖，并施工注漿錨管和初襯。導(dǎo)洞土體開挖后掌子面應(yīng)力釋放，且既有車站底板下承載面積缺失，板下反力重新分布，造成既有1號(hào)線壓縮土體引起沉降，故施工時(shí)支撐必須嚴(yán)密頂貼既有結(jié)構(gòu)頂板，并做好注漿錨固，減小沉降。

第二步：在1-1、1-2導(dǎo)洞內(nèi)施做鋼管群樁、一半既有車站寬度范圍的防水層及底板、中隔墻、頂板二襯結(jié)構(gòu)，后繼續(xù)按第一、二的施工步序施工剩余初襯、二襯結(jié)構(gòu)，二襯結(jié)構(gòu)施工時(shí)初襯中隔橫撐保留。鋼管群樁主要支撐既有車站結(jié)構(gòu)柱，確保既有車站結(jié)構(gòu)安全。盡早施工二襯降低既有車站結(jié)構(gòu)沉降，彌補(bǔ)初支鋼度不足，增加安全且減小沉降。中隔橫撐保留可減少受力轉(zhuǎn)換步序，減少沉降變形。

第三步：按第一、二步施工步序方法施工小導(dǎo)洞2-1、2-2。

第四步：進(jìn)行小導(dǎo)洞3-1、3-3斷面開挖，并施工鎖腳錨管和初襯;施工6m后進(jìn)行小導(dǎo)洞3-2、3-4斷面開挖，并施工注漿錨管和初襯。

第五步：在3-1、3-2、3-3、3-4導(dǎo)洞內(nèi)施做一半既有車站寬度范圍的防水層及底板、中隔墻、頂板二襯結(jié)構(gòu)，后繼續(xù)按第四、五步的施工步序施工剩余初襯、二襯結(jié)構(gòu)，二襯結(jié)構(gòu)施工時(shí)初襯中隔橫撐保留。

第六步：進(jìn)行小導(dǎo)洞4-1斷面開挖，并施工初襯和鎖腳錨管;施工6m后，進(jìn)行小導(dǎo)洞4-2斷面開挖，并施工注漿錨管和初襯。施工該導(dǎo)洞剩余的防水層及底板、頂板二襯結(jié)構(gòu)。二襯施工后拆除中隔橫撐，拆除中通過頂板與既有站底板間預(yù)埋管壓力注漿控制沉降。

從上述橫向施工步序可以看出：一是橫向開挖時(shí)合理劃分開挖斷面，減小每次開挖跨度，盡早封閉初支，并充分重視豎向承載體系的連續(xù)性，優(yōu)先砌筑豎向承力永久構(gòu)件——側(cè)墻，盡早形成了豎向永久結(jié)構(gòu)承力體系，以減小施工對(duì)圍巖土體帶來的不利影響，確保施工安全正常推進(jìn)和既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;二是臨時(shí)支撐在二襯施工完成后一次性拆除，減少受力轉(zhuǎn)換次數(shù)，且受力體系轉(zhuǎn)換過程短且平穩(wěn)，有效地控制既有1號(hào)線沉降。

（2）縱向施工步序（圖4）

第一步：采用微臺(tái)階法開挖施工上下臺(tái)階，上下臺(tái)階的平臺(tái)寬度為2m，上臺(tái)階開挖至中柱后施工鋼管群樁。微臺(tái)階法施工增加工作面，前后干擾較小，利于施工作業(yè)，進(jìn)度更快。且開挖面積較小，利于掌子面穩(wěn)定，下臺(tái)階開挖較為安全;但上下臺(tái)階施工相互干擾，增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)[3]。

鋼管群樁為A219無縫鋼管填充C50微膨脹混凝土，管頂加設(shè)千斤頂，支撐既有車站結(jié)構(gòu)柱。施工中，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整千斤頂頂力，主動(dòng)控制既有結(jié)構(gòu)沉降，確保在一定范圍內(nèi)。

第二步：上臺(tái)階開挖完成，下臺(tái)階開挖至中柱處，進(jìn)行前半部防水層及底板、中隔墻、頂板二襯結(jié)構(gòu)施工。盡早施工前半部二襯降低既有車站結(jié)構(gòu)沉降，彌補(bǔ)初支鋼度不足，增加安全且減小沉降。

第三步：剩余下臺(tái)階開挖，開挖完成后施工剩余段襯砌。

4 沉降監(jiān)測(cè)與分析

4.1 既有車站沉降計(jì)算

（1）計(jì)算模型

為分析新建暗挖施工對(duì)既有1號(hào)線的沉降影響，采用GTS進(jìn)行開挖沉降模擬的有限元計(jì)算，考慮尺寸效應(yīng)引起的計(jì)算誤差及計(jì)算模型的實(shí)操性影響，計(jì)算范圍：左右邊界取2.5倍既有地鐵1號(hào)線寬度，下邊界取2倍既有地鐵1號(hào)線高度，既有1號(hào)線縱向取150m，圍巖、初支、二襯及既有結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬，圍巖力學(xué)模型為d-p模型，梁、柱、板采用彈性模型。該模型（圖5）共計(jì)33922個(gè)節(jié)點(diǎn)，66340個(gè)單元，計(jì)算嚴(yán)格按照施工工況進(jìn)行模擬。

（2）計(jì)算結(jié)果

將模型按原狀土進(jìn)行初始地應(yīng)力計(jì)算，初始應(yīng)力計(jì)算完畢后，原有模型已經(jīng)按照既有1號(hào)線尺寸建立，再一次開挖成形，并同時(shí)為既有1號(hào)線施加頂板、地板、側(cè)墻、梁、柱等結(jié)構(gòu)，形成目前自重應(yīng)力場(chǎng)的受力狀況，在正式進(jìn)行模擬新建結(jié)構(gòu)開挖前再一次將應(yīng)力場(chǎng)歸零處理，消除既有結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算的影響，再對(duì)新建8號(hào)線進(jìn)行開挖計(jì)算分析。得出豎向位移計(jì)算結(jié)果分析：

8號(hào)線車站開挖時(shí)，既有1號(hào)線發(fā)生沉降，沉降最大值位于1號(hào)線和8號(hào)線交叉位置。每一步開挖時(shí)都對(duì)1號(hào)線最大位移處的沉降值進(jìn)行數(shù)值提取，得到既有車站結(jié)構(gòu)豎向位移與沿著車站走向分布的關(guān)系（圖6）。

由計(jì)算結(jié)果可知，新建8號(hào)線開挖使得既有1號(hào)線產(chǎn)生的最大沉降值為6.8mm<10mm，滿足對(duì)既有線的沉降控制要求。

4.2 既有車站施工監(jiān)測(cè)

8號(hào)線暗挖施工期間對(duì)地鐵1號(hào)線倪家橋站結(jié)構(gòu)豎向位移、結(jié)構(gòu)水平位移、差異沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)豎向位移的變化，及時(shí)掌握施工期間既有車站的變形趨勢(shì)及變形量大小，掌握變形規(guī)律及特性，確保地鐵安全并提供數(shù)據(jù)支撐。通過監(jiān)測(cè)得知：地鐵1號(hào)倪家橋站上行線豎向位移最大累計(jì)變形為4.33mm，下行線豎向位移最大累計(jì)變形為4.84mm，均小于預(yù)警值6mm和控制值10mm，也小于理論預(yù)測(cè)最大沉降值6.8mm。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，可以判斷設(shè)計(jì)及施工方案滿足對(duì)既有線的沉降控制要求，施工工藝及參數(shù)也滿足要求，對(duì)下步施工技術(shù)與施工進(jìn)度可進(jìn)行有效控制，可確保施工安全順利。

5 結(jié)束語

平頂直墻大斷面暗挖法在成都軌道交通8號(hào)線一期工程倪家橋站負(fù)三層密貼下穿既有1號(hào)線車站施工中的成功運(yùn)用，可得出以下結(jié)論：

（1）既有1號(hào)線地鐵站底板具有相當(dāng)?shù)膭偠群蛷?qiáng)度，

將新建暗挖初期支護(hù)直接頂撐在1號(hào)線車站結(jié)構(gòu)底板上，避免了中間夾層土的壓縮問題，減小了開挖時(shí)既有線結(jié)構(gòu)的沉降及變形。

（2）全斷面注漿加固提高了土體承載能力，對(duì)開挖時(shí)損失的承載力進(jìn)行了受力托換，同時(shí)兼顧防塌、防沉降、封堵地下水等目的。

（3）該方案合理劃分開挖斷面，優(yōu)先開挖并砌筑豎向承力永處構(gòu)件，盡早形成了豎向的二襯傳力體系。施工不僅強(qiáng)調(diào)了土體開挖、初支砌筑階段的防坍塌設(shè)計(jì)，以及二襯砌筑過程中的受力轉(zhuǎn)換步序設(shè)計(jì)，也遵守了“初期快封閉，初支謹(jǐn)防沉降過大，二襯合理轉(zhuǎn)換”的原則，使其盡早形成封閉受力體系。

（4）本工程施工前對(duì)各方案進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，并對(duì)既有1號(hào)線的沉降進(jìn)行模擬分析;施工中嚴(yán)格控制超前加固、開挖施工步序、鋼管群樁、臨時(shí)支撐拆除等關(guān)鍵工序，同時(shí)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析數(shù)據(jù)對(duì)比分析，實(shí)行實(shí)際與理論對(duì)比動(dòng)態(tài)控制原則，保證了暗挖順利施工和既有線運(yùn)營安全;施工后及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工方案、施工工藝、施工措施、施工監(jiān)測(cè)等技術(shù)總結(jié)。為后續(xù)類似工程提供了有效參考。

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