地鐵車站密貼下穿既有線施工技術(shù)

王有旗

(中鐵二十五局集團第五工程有限公司 山東青島 266000)

1 引言

大城市地鐵建設(shè)網(wǎng)絡(luò)正逐漸密集化，中心樞紐區(qū)的地鐵車站建設(shè)將越來越多地面臨交叉穿越情況。北京市2050年遠期軌道交通建設(shè)規(guī)劃中，車站和地鐵區(qū)間換乘節(jié)點高達118處。下穿既有結(jié)構(gòu)不論是設(shè)計還是施工方面，都具有較高的難度和風(fēng)險。當(dāng)前城市地鐵建設(shè)快速發(fā)展，車站跨度在逐步增大，新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)距離越來越近，需要更加安全、快速的施工方法，以滿足未來更高標(biāo)準(zhǔn)的下穿既有線工程施工。本文以北方某地鐵車站零距離下穿既有輕軌隧道為依托，采取了深孔注漿、六導(dǎo)洞法暗挖、主動頂升、位移監(jiān)測等關(guān)鍵施工技術(shù)，成功實現(xiàn)了大斷面平頂直墻車站下穿既有線。

2 工程概況

2.1 車站概況

北方某島式換乘地鐵站位于城市快速路交叉口廣場處，南北走向，施工方式為兩側(cè)明挖，中間下穿段暗挖。既有線為城市輕軌隧道，東西走向，與新建地鐵車站基本正交。下穿段地鐵站位于既有隧道兩端變形縫之間，如圖1所示。車站下穿暗挖段為雙層三跨平頂直墻結(jié)構(gòu)，截面寬度為21.7 m，長度為18.2 m，車站頂板與既有輕軌隧道底板密貼。

圖1 衛(wèi)星廣場站與既有輕軌平面位置關(guān)系

2.2 工程地質(zhì)與水文條件

車站站址場區(qū)為崗阜狀高平原地區(qū)。地勢較高，呈崗阜狀起伏，自丘陵前緣向平原微傾斜。主要由亞黏土和黃土狀亞黏土構(gòu)成，局部出露中生代沉積的碎屑巖。

場地主要有三層地下水，第一層為表層孔隙性潛水埋深3.50～4.00 m，有明顯的豐、枯水期變化，水位浮動平均值2.00 m。第二層為淺層承壓水，水位變化與季節(jié)無明顯相關(guān)，微承壓水頭為2.60～3.50 m。第三層巖石裂隙水，無穩(wěn)定水位，主要接受上層承壓水的滲透補給及側(cè)向的徑流補給，排泄方式主要為相對含水層中的徑流形式。

3 衛(wèi)星廣場站下穿施工技術(shù)難點

城市地鐵下穿既有隧道不僅要考慮新建工程的作業(yè)安全和效率，還要保證下穿過程中既有結(jié)構(gòu)的安全和線路運營要求。

暗挖法施工工作面開敞，應(yīng)力釋放大，開挖產(chǎn)生的土體變形、沉降，容易引起周邊結(jié)構(gòu)物發(fā)生剪切、拉伸和扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞等安全事故。既有線列車運行沖擊和軌道振動也會對暗挖和襯砌結(jié)構(gòu)施工造成影響，加大地層的變形，進而會對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的破壞[1]。本工程主要的技術(shù)難點在于:

(1)衛(wèi)星廣場站暗挖下穿過程中，導(dǎo)洞支護、群洞間巖土體、既有隧道底板關(guān)系密切，變形和荷載在三者之間互相傳遞、互相影響。導(dǎo)洞開挖后地層松動，豎向荷載由初期支護、洞間土體共同承擔(dān)[2]；地層變形直接向上傳遞給輕軌底板，底板在支撐條件改變和地層變形作用下，產(chǎn)生內(nèi)力重分布和附加變形，進一步影響既有線道床。

(2)導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)與既有隧道間缺少緩沖土層，開挖時的地層變形直接影響既有隧道結(jié)構(gòu)，導(dǎo)洞間預(yù)留的土柱和初期支護的承載情況直接決定了上部既有隧道結(jié)構(gòu)受力的優(yōu)劣程度[3]。

(3)平頂直墻結(jié)構(gòu)無法形成近似拱形的局部承載結(jié)構(gòu)，暗挖施工各個導(dǎo)洞引起的應(yīng)力重分布情況復(fù)雜[4]，土體塑性變形區(qū)域疊加過程更易受到土質(zhì)、開挖土方量、初期支護背后密實程度、既有輕軌隧道底板的沉降影響。

(4)暗挖車站開挖范圍位于既有輕軌隧道兩條變形縫之間，且東側(cè)變形縫下方直接形成臨空面，隧道下部的支撐條件不足，沉降也很容易造成附加內(nèi)力過大，威脅輕軌結(jié)構(gòu)安全[5]。

4 深孔注漿加固

下穿施工過程中對保障既有線安全運營措施的要求極為嚴(yán)格，控制車站施工過程中的沉降技術(shù)復(fù)雜且風(fēng)險很高，采取深孔注漿堅固可以有效進行土體加固，可靠性較高[6]。衛(wèi)星廣場站下穿既有輕軌段采用洞樁轉(zhuǎn)換支撐體系，利用深孔注漿加固地層，并利用注漿主動抬升地層以達到補償沉降的目的，再結(jié)合動態(tài)頂升控制技術(shù)，綜合控制既有結(jié)構(gòu)沉降量[7]。

將待開挖土體在橫剖面上劃分為上下兩部分，其中上半部分4個洞室，下半部分2個洞室，如圖2所示。開挖前，首先對上半部分范圍內(nèi)進行注漿加固，加固完成后先開挖上半斷面兩側(cè)洞室，再開挖下半斷面兩個洞室，最后完成上半斷面中間兩導(dǎo)洞施工。待上半斷面每個洞室開挖完成后即進行洞內(nèi)鉆孔灌注樁施工，待鉆孔樁達到設(shè)計要求強度后，進行樁頂冠梁施工，并在邊導(dǎo)洞冠梁上施加千斤頂，對既有線結(jié)構(gòu)進行頂撐保護，最后完成結(jié)構(gòu)二襯，下穿段結(jié)構(gòu)施工完成。

圖2 車站暗挖下穿既有線橫斷面圖

注漿打孔在圍護樁間打入，每個圍護樁間分三個角度水平打入3根或4根不等。最小長度東西兩側(cè)5.3 m，最長15 m，注漿加固范圍開挖方向14.8 m，注漿縱向間距0.8 m，注漿采用分區(qū)分段方式進行，初始注漿壓力0.3～0.5 MPa，終壓注漿壓力1～2 MPa，采用水泥-水玻璃雙漿液[8]。

注漿加固寬度覆蓋了整個輕軌底板，自動化監(jiān)測結(jié)果顯示輕軌底板在注漿后產(chǎn)生抬升，輕軌左右線的抬升高度有一定差別。輕軌底板南側(cè)和中線上的監(jiān)測點抬升高度在8～11 mm之間，輕軌底板北側(cè)上的監(jiān)測點抬升高度在1.5～2.5 mm之間。

5 下穿施工頂升動態(tài)控制沉降技術(shù)

5.1 頂升沉降控制機理分析

1號和4號導(dǎo)洞貫通后，施作鉆孔灌注樁，直徑1000 mm＠1800 mm，成孔深度18.46 m，底板以下長度10 m。成樁后，樁頂施作L形冠梁，每個冠梁上架設(shè)5個100 t級液壓同步千斤頂。樁頂冠梁為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與鉆孔灌注樁通過配筋連接，二者形成穩(wěn)定可靠的支撐。

下穿施工導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降，表面上是變形的問題，實質(zhì)上是開挖導(dǎo)致土體和既有結(jié)構(gòu)之間荷載重新分配和傳遞，繼而產(chǎn)生不均勻沉降的過程。導(dǎo)洞開挖、施作初期支護過程，是導(dǎo)洞內(nèi)土體應(yīng)力邊界條件改變并重新達到平衡的過程，地層損失和地層變形是不可避免的[9]。

千斤頂頂升輔助荷載傳遞體系建立后，控制了邊導(dǎo)洞范圍內(nèi)的沉降，在不考慮頂升集中力作用時，東側(cè)變形縫處的沉降是很大的。施加頂升集中力后，既有結(jié)構(gòu)的沉降得到了補償，輕軌結(jié)構(gòu)基本恢復(fù)到了開挖前的初始位置。在整個開挖過程，千斤頂可以對輕軌底板的沉降進行直接的調(diào)整，是一種主動的沉降控制手段。

隨著車站土體開挖，荷載只能在未開挖土體內(nèi)傳遞轉(zhuǎn)移，相應(yīng)的地層變形也較大。頂升輔助荷載傳遞體系建立后，附加荷載通過千斤頂支撐傳遞到冠梁，繼而向圍護樁深部傳遞，有效發(fā)揮邊樁的承載能力，改善了車站土體的受力狀態(tài)[10]。鉆孔灌注樁和冠梁聯(lián)合支撐結(jié)構(gòu)，與初期支護相比具有剛度大、可靠程度高的特點，類似于在邊導(dǎo)洞內(nèi)建立條形基礎(chǔ)支撐，可以為頂升控制體系提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)條件。

5.2 頂升軸力歷程

在邊導(dǎo)洞冠梁支撐體系建立后，根據(jù)實時監(jiān)測的輕軌沉降水平施加穩(wěn)定的頂升軸力，頂升輔助體系存在時間為從5號導(dǎo)洞開挖之前至施作車站負(fù)二層頂板的階段，覆蓋了輕軌產(chǎn)生沉降的主要工況。在實際施工中，同一側(cè)千斤頂?shù)募訅核绞窍嗤模瑩Q算得到的頂升軸力也基本相同。兩組軸力加載歷程有著相似性，在加載初期和末期整體軸力水平偏低，在加載中期軸力水平控制在設(shè)計軸力的80%左右，留有一定的調(diào)整空間。結(jié)合現(xiàn)場施工的具體工況和千斤頂軸力水平，選取位于導(dǎo)洞中間部位的千斤頂，根據(jù)施工記錄，繪制其軸力加載歷程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)洞中部千斤頂頂升軸力歷程

6 沉降控制監(jiān)測結(jié)果

沿既有輕軌隧道底板縱向布置7個監(jiān)測斷面，沿橫向布置JC1～JC3共3條檢測線。重點監(jiān)測輕軌底板兩條變形縫開合度以及底板沉降變形。

6.1 變形縫開合度

動態(tài)頂升法的首要目的就是要控制輕軌變形縫兩端的沉降差值[11]。輕軌東側(cè)變形縫處于4號導(dǎo)洞開挖的臨空面上方，最先開挖暴露，形成閉合結(jié)構(gòu)所需時間最長，是整個下穿過程中的重大危險源之一。在如此長時間內(nèi)保證變形縫差異沉降達到要求，對動態(tài)頂升控制實施是一個嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。輕軌變形縫開合曲線如圖4所示。由于在車站土體開挖前，進行了全斷面的注漿加固，導(dǎo)致輕軌底板產(chǎn)生了抬升，兩條變形縫均具有初始變形量。

圖4 變形縫開合程度記錄曲線

從監(jiān)測結(jié)果上看，動態(tài)頂升對變形縫開合控制效果良好。兩條變形縫均沒有出現(xiàn)的劇烈的開合變形，處于連續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)，最大變形速率不到0.1 mm/月，變形縫開合量始終處于低位。施作頂板之后，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，變形縫的開合量均向零值轉(zhuǎn)變，重新回到了注漿加固前的原始的狀態(tài)。

6.2 頂升沉降控制總體效果

動態(tài)頂升工作時段，涵蓋了所有導(dǎo)洞開挖、施作中立柱支撐、破除初期支護和預(yù)留洞間土、施作頂板的工序，是既有輕軌線底板產(chǎn)生沉降的主要工況。根據(jù)施工需要和土體開挖位置，對千斤頂軸力適時調(diào)整，很好地控制了底板的沉降量，保持底板變形穩(wěn)定[12]。

自動監(jiān)測各測線在不同時期的輪廓線變化歷程如圖5～圖7所示。JC1、JC3線的輪廓形態(tài)較為接近，JC2線各測點的變形量在整個施工過程中都比較小。最大沉降位置位于3號導(dǎo)洞上方，最大沉降量為9.5 mm，各施工階段的沉降量變化速率較為均勻，約為1～1.5 mm/月。從監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，動態(tài)頂升體系對東側(cè)變形縫沉降控制是十分有效的，達到了預(yù)期效果。

圖5 JC1監(jiān)線輪廓變化歷程

圖6 JC2監(jiān)線輪廓變化歷程

圖7 JC3監(jiān)線輪廓變化歷程

三條測線分別位于輕軌底板南北兩幫和中線位置處，無論是在東西縱向還是南北橫向上，整個輕軌底板的沉降形態(tài)均有所不同，這與頂升軸力水平，導(dǎo)洞初期支護質(zhì)量、底板下地基土性質(zhì)等有著復(fù)雜的聯(lián)系。因此對大斷面下穿既有結(jié)構(gòu)工程，可設(shè)置多條監(jiān)測線，以便更加完整地描繪沉降形態(tài)。

7 結(jié)束語

結(jié)合工程實例，介紹了雙層平頂直墻密貼下穿既有區(qū)間的風(fēng)險控制技術(shù)，介紹了六導(dǎo)洞施工方法。揭示了注漿加固技術(shù)原理和施工要點，注漿加固寬度覆蓋了整個輕軌底板，自動化監(jiān)測結(jié)果顯示輕軌底板在注漿后產(chǎn)生抬升，輕軌左右線的抬升高度有一定差別。分析了動態(tài)頂升沉降控制機理，對監(jiān)測數(shù)據(jù)和頂升軸力進行記錄分析，結(jié)果表明導(dǎo)洞上方的測點隨開挖位置不同而產(chǎn)生不同程度下沉，但變化量十分有限，既有線地板沉降控制效果良好，滿足既定沉降控制指標(biāo)。