新建地鐵隧道下穿既有線車站安全影響分析

吳 萬 華

(中鐵隧道局集團路橋工程有限公司，天津 300300)

1 概述

近年來，地鐵憑借節約土地、運量大、效率高、布局城市發展等優勢在國內得到了蓬勃發展[1,2]。隨著城市軌道交通網絡的日益完善，新建地鐵線路下穿既有線問題也隨之增多，進而會對既有線路的正常運行造成不可忽視的影響[3-5]，這也對新建地鐵隧道的施工技術提出更為嚴苛的要求[6]。

以沈陽市新建九號線隧道下穿一號線(運營線路)為例，通過數值模擬分析明挖及暗挖施工對既有線車站的影響，驗證既有線的施工安全性；制定既有線監控量測方案，結合現場量測數據及時掌握和提供地鐵一號線對應區域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的變形信息與工作狀態，指導基坑及下穿安全施工，修正施工參數或施工工序，保證地鐵一號線對應區間運營安全。

2 工程背景

沈陽市鐵西廣場站為九號線與既有一號線車站的換乘車站，車站位于建設中路與興華北街路口的北側，與一號線呈T字型。車站東側為在建華潤置地商場，西側為公安局鐵西分局、中國工商銀行鐵西支行等，十字路口東南角為鐵西廣場，西南角為第一商城。地鐵一號線鐵西廣場站基坑深度約為18 m，基坑安全等級為一級，側壁重要性系數取1.1，基坑的變形保護等級為一級，一號線施工時已施工九號線下穿段主體結構圍護樁；地鐵九號線鐵西廣場站為島式站臺車站，有效站臺寬12.9 m，車站起點里程DK5+960.162，終點里程DK6+137.132，主體結構總長176.97 m，標準段寬22.0 m。結構形式在小里程端是三層三跨，大里程端是三層雙跨箱型框架結構，采用明挖法施工，換乘節點下穿段為單層雙跨箱型框架結構，利用一號線預留條件采用暗挖法施工。

九號線鐵西廣場站分兩部分施工，首先施工地鐵九號線明挖段，施工完成后，下穿既有地鐵一號線鐵西廣場站。本工程位于沈陽地鐵一號線鐵西廣場站車站主體結構控制范圍內，施工區域明挖段與地鐵一號線鐵西廣場站南北相接，暗挖段下穿地鐵一號線鐵西廣場站，對一號線鐵西廣場站直接影響里程范圍約為DK9+440.296～DK9+464.296，詳見圖1。

明挖段車站施工基坑結構地下3層，暗挖段下穿既有一號線鐵西廣場站，開挖深度約26 m，對應地鐵一號線鐵西廣場車站埋深約17 m，下穿暗挖段與一號線地鐵車站剖面位置關系詳見圖2。

3 數值模擬計算分析

對于明挖和暗挖施工階段，采用midas GTS 軟件建立地層結構模型，進行三維全過程數值模擬分析。模型大小為95 m×77 m×75 m(長×寬×高)。模型底面僅約束z方向的豎向位移，左右兩個側面(長度方向)僅約束x方向的水平位移，前后兩個側面(寬度方向)僅約束y方向的水平位移，模型圖見圖3。

3.1 明挖施工階段既有線車站變形分析

對基坑分層開挖和拆撐二襯回筑進行分步分析。

由圖4可知，明挖階段基坑開挖過程中，靠近明挖基坑側既有線車站側墻沉降較大。基坑開挖完成后既有線底板最大沉降值為0.29 mm，結構側向位移最大值0.68 mm，發生于頂板處。

由圖5可知，主體端頭二襯結構施工完成既有線底板最大沉降值為0.44 mm，結構側向位移最大值0.88 mm。一號線軌道最大沉降控制值為4 mm，隧道結構水平位移變形控制值為3 mm，明挖階段，既有線沉降及結構最大位移均處于安全范圍之內。

3.2 暗挖下穿施工階段既有線車站底板沉降分析

暗挖分析是在基坑開挖完成后進行分步分析的，包含側洞開挖、中洞開挖、鑿除24軸～25軸預留中間樁、鑿除23軸與26軸處中間樁、鑿除23軸～24軸與25軸～26軸間中間樁、鑿除臨時混凝土柱。

如圖6所示，暗挖施工導致的車站結構側向位移較小，施工完成后側向位移增大0.08 mm，最大側向位移值為0.96 mm，位于結構頂板處。

如圖7所示，隨暗挖施工逐步進行，既有線底板各點沉降值逐漸增大；鑿除24軸～25軸預留支撐樁施工步引起的沉降最大，為0.51 mm；暗挖施工完成后，底板沉降最大值為2.38 mm，位于靠近九號線基坑側底縱梁下。考慮降水施工引起的區域沉降0.4 mm，施工總沉降最大值約為2.78 mm，滿足沉降控制標準，理論上施工方案可以保證一號線運營安全。

4 監測方案

本次變形監測里程范圍約為DK9+402.296～DK9+502.296段，監測區間長度約100 m，施工基坑臨近地鐵一號線車站左、右線直接影響范圍24 m內，每5 m布設一處監測斷面，共布設5個斷面，東、西方向各外延40 m，每8 m加設一處斷面(變形縫兩側各布設一個)，共加設10個斷面，共布設15個斷面，斷面對應里程見表1。監測依據CJJ—T 202—2013城市軌道交通結構安全保護技術規范[7]，GB 50308—2017城市軌道交通工程測量規范[8]。智能型全站儀布設在約DK9+450處，基準點布設于區間變形范圍之外的隧道側壁上，共計 4個(每一端2個)，由小里程至大里程依次編號為JZ1，JZ2，JZ3，JZ4。自動化監測系統的坐標系采用相對獨立坐標系統，平面坐標系以里程減小且近似平行于隧道的方向為X軸正向，垂直于站一與站二連線的方向為Y軸方向，取測站一位置為坐標原點，高程坐標系取測站一儀器旋轉軸中心位置為起算零位置，Z軸鉛直向上為正。

表1 監測斷面對應地鐵里程表

車站斷面監測點布置如圖8所示。

5 現場監控量測分析

根據施工方案，九號線鐵西廣場站施工含以下4個主要階段：地鐵九號線本標段鐵西廣場站基坑明挖施工；地鐵九號線鄰標段鐵興區間明挖段施工；下穿既有地鐵一號線鐵西廣場站導洞開挖施工；中洞圍護樁破除及施工。下面將按以上施工進度節點及變形情況分階段進行分析說明。

5.1 地鐵九號線本標段鐵西廣場站基坑開挖施工期

此期間因基坑土體開挖，局部卸載，導致基坑附近地基隆起變形，對既有一號地鐵線鐵西地鐵站影響如下：

1)左線變形情況。

如圖9所示，至基坑開挖完，各監測點位的變形量DY(向基坑一側橫移)累計值普遍在±1.1 mm以內，DY方向最大變形量為1.25 mm(左DM09-4)。可以認為，左DM07～左DM0 9號斷面的側壁點(4號點)存在約1.1 mm，道床點(2號、3號點)存在約0.7 mm，偏向基坑側的水平位移。

如圖10所示，各監測點位的變形量DZ隆沉累計值普遍在±2.80 mm以內，DZ方向最大變形量為 2.79 mm(左DM09-2點)。可認為，左DM06～左DM10斷面道床存在約2.5 mm，靠近基坑的結構壁存在約2.0 mm的隆起趨勢變形，近基坑側4號點比遠基坑側1號點隆起量要小約為0.5 mm。

2)右線變形情況。

右線隧道平面位移從監測數據上來看不存在趨勢性變化，總體處于穩定狀態。

如圖11所示，右線隧道沉隆位移，在監測區間中部位置的斷面6～斷面10道床監測點，存在1.7 mm～2.0 mm的隆起趨勢變形，YCZDM8點隆起最大為2.0 mm，結構壁的變形趨勢與道床監測點基本一致，YCZDM10-1點隆起最大為1.7 mm。

5.2 地鐵九號線鄰標鐵興區間明挖段開挖施工完畢

此期間因鄰標鐵興區間明挖段開挖，局部卸載，導致地基隆起變形，對既有一號地鐵線鐵西地鐵站影響如下：

1)左線變形情況。

如圖12所示，各監測點位的變形量DY(橫向位移)累計值與上一階段相比有減小的趨勢，4號點(基坑側隧道側壁)位置由上一階段的約1.2 mm減小到約0.6 mm，2號、3號點(道床)位置回復到約0 mm，1號點(站臺側)位置，表現為向鄰標段基坑方向約-0.3 mm的變形。

如圖13所示，各監測點位的變形量DZ隆起累計值普遍在5.5 mm以內，DZ方向最大變形量為5.37 mm(左DM09-2點)。可認為，左DM08～左DM10斷面道床存在約5.1 mm，靠近本標段基坑的結構壁4號點位置存在約4.5 mm的隆起趨勢變形。

2)右線變形情況。

如圖14所示，各監測點位的變形量DY(橫向位移)累計值普遍在-2.5 mm以內，其中斷面6～斷面10靠近鄰標段基坑一側結構壁存在約-2.2 mm，道床存在約-1.6 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標段基坑。

如圖15所示，各監測點位的變形量DZ隆起累計值普遍在4.0 mm以內，右DM10-4點(對應里程為DK9+462.296)隆起最大，最大值為3.92 mm，斷面6～斷面10存在約為3.90 mm的隆起位移趨勢。右線開始自動化監測之前采用人工監測，道床及結構普遍呈隆起狀態，最大隆起點(YCZDM8)隆起值2.0 mm，因此右線實際隆起最大值約5.9 mm。

5.3 下穿既有地鐵一號線鐵西廣場站導洞開挖施工完畢

此期間因本標段下穿暗挖段左、右導洞開始施工，地鐵一號線車站6號、7號斷面及9號、10號斷面正下方開挖，導致相應出現位置下沉變形。

1)左線變形情況。

如圖16所示，各監測點位的變形量DY(橫向位移)累計值基本與階段2一致。如圖17所示，左線中部隆起值較階段2有所回落，DZ方向最大隆起量為2.48 mm(左DM09-2點)，左DM08～左DM10斷面道床存在約1.6 mm左右，靠近本標基坑的結構壁存在約0.2 mm左右的隆起變形，中部位置1號、4號點的相對高差由階段2的約-0.8 mm變為約-1.8 mm。

2)右線變形情況。

如圖18所示，右線各監測點位的變形量DY(橫向位移)變形趨勢與階段2基本一致，量值略有減小，中部斷面存在約-1.0 mm的水平位移，變形方向指向鄰標段基坑。

如圖19所示，右線高程方向表現為隆起回落，右DM08-1點(對應里程為DK9+452.296)最大-2.36 mm，中部斷面7～斷面10道床存在約-0.2 mm～-1.0 mm的沉降，靠近鄰標段基坑一側存在約-2.2 mm的沉降趨勢。中部位置1號、4號點的相對高差由階段2的約0.8 mm變為約1.9 mm。綜合考慮右線自動化監測前的隆起量，最大沉降DM08斷面處的累計值應在-0.2 mm左右。

5.4 中洞圍護樁破除及施工完畢

此期間因本工程下穿暗挖段中洞開始施工，地鐵一號線車站斷面7～斷面9正下方開挖，且1號線車站施工時為九號線下穿預設的兩排支撐樁全部破除，導致8號及相鄰斷面處出現明顯下沉變形。

1)左線變形情況。

如圖20所示，各監測點位的變形量DY(向基坑側橫移)方向累計值普遍在-1.7 mm以內，其中部斷面存在約-1.6 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標段基坑。 如圖21所示，各監測點位的變形量DZ(隆沉)方向上，總體上表現為中部沉降，DZ方向最大變形量約為-3.3 m(左DM08-1點)。

2)右線變形情況。

如圖22所示，各監測點位的變形量DY(橫向位移)累計值普遍在-2.3 mm以內，其中中部斷面存在約-2.2 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標段基坑。如圖23所示，各監測點位的變形量DZ(隆沉)方向上，總體上表現為中部沉降。累計下沉值普遍在-4.5 mm以內，右DM08-4點沉降最大，最大值約為-4.5 mm。綜合考慮人工與自動化的監測成果，最大沉降DM08斷面處的累計值約為-2.6 mm。

6 結語

本文通過數值模擬分析明挖及暗挖施工對既有線車站的影響，驗證既有線的施工安全性，制定既有線監控量測方案，結合自動化監測現場量測數據及時掌握和提供地鐵一號線對應區域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的狀態信息，及時指導施工，確保了工程安全，自動化監測起到了重要的地鐵保護與安全保障的作用。

1)通過三維數值模擬，驗證了該施工方案對既有線沉降及結構最大位移的影響均處于安全范圍之內。

2)在整個監測期，系統運行正常，儀器設備狀態良好，監測成果準確可靠，反映了既有線車站地鐵隧道在各施工階段的變形情況。

3)監測數據顯示，工后1個月基本無趨勢性變化，可以認為一號線鐵西車站呈穩定狀態。

4)鑒于在九號線施工過程中，特別是中洞破樁施工后，斷面6～斷面10出現先隆起、后沉降的現象，已形成了沉降槽，斷面最大沉降處于安全范圍之內。為確保地鐵運營的安全，需要重視對變形區域的軌道平順性的檢測。

5)本文以數值模擬與現場自動化監測相結合的模式指導施工的安全進行，該模式對地鐵隧道的建設具有借鑒意義。