既有地鐵車站換乘節點暗挖段托舉施工技術

楊建禮， 楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

隨著國民經濟的發展，城市地鐵建設數量日益增多，地鐵路網中必然會有很多線路相互交叉(包括區間與區間的交叉，車站與區間的交叉，車站與車站的交叉等)情況的發生。對于交叉工程，不僅要保證新建項目的本體安全，而且還要確保施工期運營線路的正常運營以及周邊環境的安全，工程的設計和施工均相對困難。在交叉段施工過程中，如何確保既有線路運營和結構安全已成為一個緊迫的技術問題[1-3]。在國內，換乘節點的預留多采用兩種方式，即預留條件方式和預留結構方式[4-5]。對某一特定城市而言，在地鐵建設初期階段，由于線路規劃(尤其層位規劃)不到位，往往以第一種預留方式居多。該預留方式，在新增層土體穩定性差及含水量較大情況下，后期施工對既有線的運營安全將產生較大影響，往往成為后期施工的重點和難點。

對于預留條件方式的交叉工程，國內大多通過采取一些輔助工法來實現對既有車站沉降控制的目的。曹德更[6]、宋建[7]等提出采用局部全斷面預注漿與洞樁法相結合的手段，可有效控制既有結構的變形、確保地下管線的安全。黃合理[8]、閆朝霞[9]等認為采用淺埋暗挖法過既有線施工時，加強初期支護、注漿加固開挖土體是確保施工安全的關鍵。張明聚[10]等通過對交叉工程結構動態監測來掌握結構內力狀態的變化，并對隧道變形和結構穩定性的影響開展了相關研究。王彥臻[11]等提出在洞內做樁并輔以千斤頂托換技術的施工方法，同時通過多次注漿以保證控制效果。張成平[12]等采用灌漿加固對道床與隧道結構間的脫離區域進行了治理，并通過注漿對既有地鐵隧道結構進行了抬升，使既有地鐵線路的高程損失得到了一定恢復，最終實現對既有地鐵結構沉降的控制。上述案例中所采取的控制技術實際上均為體外措施，而對于交叉車站換乘節點處新、舊結構如何實現連接的問題，并未涉及。目前，常規的做法是在新、舊結構連接處預留后澆帶，以適應施工中所發生的不均勻沉降，確保新、舊結構體系的安全。但由于新、舊結構相對獨立，并未形成有效的、相互制約的整體結構體系，受新建結構下穿暗挖施工效應影響，既有結構變形控制難度相對較大，容易發生變形超限風險。因此，對于預留條件下交叉車站工程換乘節點處新舊結構連接問題仍有待進一步研究。

本文以鄭州軌道交通4號線某車站與1號線換乘節點施工為例，采用數值模擬及現場試驗手段，研究提出了既有地鐵車站換乘節點暗挖段托舉施工工法及關鍵施工技術，并通過既有車站結構變形和新舊結構連接段混凝土的應力監測結果，對工法的可靠性進行了驗證。

1 工程概況

鄭州市軌道交通4號線會展中心站車站主體結構設計為三層三跨矩形框架結構，與既有地鐵1號線換乘站呈T字換乘，其中下穿既有1號線車站采用暗挖法施工，如圖1所示，長度為23.9 m，底板埋深28.0～32.9 m。既有1號線車站施工過程中，在底板下設置了兩排800 mm厚地下連續墻，且預留了打開條件。

換乘節點處地層以粉砂層為主，上部局部為黏質粉土，下部局部為細砂層。該處地下水主要為微承壓水，主要賦存于粉砂、細砂層含水土層中，含水層頂板埋深15.0～20.5 m。

根據相關技術規范要求[13]，運行期間地鐵結構最大沉降值不應超過20 mm；第三方評估單位通過對既有1號線結構運營監測數據分析，建議換乘節點暗挖施工階段既有結構允許最大沉降量為7.5 mm，并將換乘節點施工段設定為一級風險工程。

2 下穿段施工方案比選

2.1 比選方案簡介

為確保換乘節點施工安全，施工前研究擬訂了兩個施工方案。

方案一：按常規地鐵車站換乘節點整體預留后澆帶施工模式，新舊結構連接端圍護結構待暗挖段結構施工完成后整體破除，并從下到上依次施工后澆帶。

方案二：既有車站圍護結構隨新建車站基坑開挖而逐漸破除，新建車站的負一層、負二層板墻與既有結構板墻之間取消后澆帶，直接采用剛性連接，新舊結構連接端僅在新增層(負三層)位置預留后澆帶，新增層位置后澆帶待暗挖段結構施工完成后再進行施工。

2.2 施工力學效應數值模擬對比分析

為對比分析兩種方案下既有車站結構的變形、受力特征，采用有限差分法對施工過程進行了模擬研究。計算模型71.4 m(長)×74.9 m(寬)×55.4 m(高)，共劃分591 039個單元。模型中，基坑鋼支撐選用梁單元，噴射混凝土選用殼單元，土體、地下連續墻及主體結構等均采用實體單元進行模擬。除地表設置為自由面外，模型其他各面均采用法向位移約束邊界。其中負一、二層后澆帶部位直接采用單元進行剛性連接，具體模型如圖2所示。計算模型中地層和結構物理力學參數分別見表1、表2。

圖2 數值計算模型

表1 地層物理力學參數

換乘節點施工結束后，既有1號線車站底板道床豎向沉降曲線如圖3所示；既有結構與新建結構連接處剪應力、拉應力分布如圖4～圖5所示。

根據計算結果可得：①與方案一相比，方案二沉降控制效果優勢明顯；②施工結束后，方案二的既有結構和新建結構連接部位剪應力略有增大，但未超出混凝土極限強度值，結構受力安全；③對于方案二，在負一、二層采用剛性連接可有效減小暗挖施工引起的結構沉降，弱化對暗挖控沉的依賴性，優于方案一。

表2 建筑構件物理力學參數

圖3 道床位置處底板豎向位移

圖4 既有結構連接處剪應力分布

圖5 新建結構連接處板拉應力分布

2.3 技術經濟效益比較

根據數值模擬并結合本工程的特點，兩方案的技術經濟效益比較結果如表3所示，可以明顯看出方案二的技術經濟指標優于方案一。

表3 兩種方案技術經濟綜合比較

綜上，方案二充分利用了基底厚砂層無明顯流變特性的工程特點，在確保新、舊結構連接節點強度安全的前提下，通過取消換乘節點兩側明挖結構施工過程的后澆帶，將新建結構與既有結構連成整體，從而對既有車站結構形成托舉效果，能夠實現有效控制施工變形目的，并可在一定程度上降低暗挖過程臨時支護及土體加固要求，節約施工成本，同時縮短了由于新舊結構間后澆帶單獨施工所需要的工期，故推薦該方案為首選實施方案。

3 換乘節點暗挖段托舉施工技術

換乘節點暗挖段托舉法施工工藝流程如圖6所示。

3.1 基坑開挖技術

既有換乘節點兩側明挖段基坑采取分層對稱開挖，分層高度不大于1.5 m，隨挖隨撐，保持既有結構兩側土壓平衡，減少基坑開挖過程對既有結構的影響。在開挖過程中每開挖1.5 m及時對后期需要破除的地下連續墻采用繩鋸切割分塊吊出，需暗挖部分箱體兩側圍護結構暫不破除，以保證既有箱體內部土體和上部結構的穩定。

圖6 施工工藝流程

3.2 上部結構與既有結構連接技術

為保持既有車站結構的穩定，新建車站主體結構負一層、負二層邊墻、板分別與既有車站相應結構的鋼筋采用套筒連接(前期施工預留接駁器)或植筋連接(前期施工未預留接駁器)，澆筑混凝土使新建結構與既有結構連成整體，從而形成暗挖段施工過程的新建結構對既有結構的托舉體系(負三層結構待新增層暗挖段結構完成后，以后澆帶形式與暗挖段結構連接)。施工期間必須加強新舊混凝土界面處理及既有結構鋼筋與新建結構鋼筋的連接質量。

3.3 暗挖段降水、加固

充分認識在封閉箱體內“單純注漿外壓無法釋放，注漿壓力累加易造成既有結構隆起；單純降水，封閉空間內的土體二次固結收斂，造成既有結構下沉”的特點，采用水泥—水玻璃雙液漿超前加固土體+真空降水同步進行，同時采用孔隙水壓力計對降水及注漿全過程進行監測，保持整個注漿、降水過程封閉結構內壓力平衡，以減少降水及加固過程對既有結構的隆沉影響。降水加固標準：鉆孔取芯探孔無水流出，土體加固強度≮1 MPa，保證土體開挖過程自穩能力和暗挖段初期支護封閉前中間土體對既有結構提供適當的承載能力。暗挖段注漿、降水、測壓孔位布設如圖7所示。

圖7 暗挖段注漿、降水、測壓孔位布設

3.4 暗挖段開挖、結構施工

暗挖段土體開挖施工需在兩側明挖段結構強度達到設計要求、對既有結構形成有效托舉作用并且暗挖段土體加固降水效果達到要求后進行。暗挖段施工采用兩側導洞先行、后中間土體開挖的工法，地連墻分部破除后，暗挖段土體左右兩側導洞采用臺階法開挖，開挖完成后分組施作底板及側墻。待兩側導洞內底板及側墻施工完成對既有1號線結構形成支撐體系后，再進行中部土體分臺階開挖及底板施工。暗挖段內部南北兩側地連墻位置分別預留2 m后澆帶待暗挖段結構施工完成后與明挖段結構進行連接。

4 施工沉降與受力監測

4.1 監測內容

(1)既有車站道床位移監測：施工過程中，采用測量機器人三維坐標監測+靜力水準豎向位移監測兩套自動化監測系統，對既有1號線站內道床沉降進行實時監測。

(2)新舊結構連接部位應力監測：在既有1號線車站與新建4號線車站連接端選擇5個斷面安裝混凝土應變計、混凝土表面應變計，便于后期暗挖段土體加固、降水及開挖過程對新舊混凝土交接處結構應力進行監測，以指導隧道暗挖段施工。測點布置如圖8所示。

圖8 新舊混凝土連接部位應力測點布置

(3)暗挖段主要進行收斂變形監測。

4.2 監測結果分析

4.2.1 既有線路監測

選取暗挖段上方中部和左、右兩側三個斷面對應的左線和右線上道床沉降變形進行了重點監測，各個施工階段對應的豎向變形規律如圖9、圖10所示(圖中施工階段：1為換乘節點注漿、2為左導洞開挖及支護、3為右導洞開挖及支護、4中間洞門剩余地連墻破除、5為中間底板混凝土澆筑、6為全部施工完成)；施工結束后上、下行線多點沉降監測結果如圖11所示。監測結果顯示先開挖導洞上部的上行線道床沉降最大值1.98 mm，較后開挖導洞上部的下行線道床沉降最大值1.60 mm稍大，但各測點最大沉降均遠低于設計允許沉降量7.5 mm，說明整個施工過程未影響既有線運行安全。

4.2.2 新舊結構連接部位應力監測

暗挖隧道開挖2018年7月1日開始到2018年8月15日完成，對新舊結構混凝土應力監測持續到2018年12月29日，新舊結構連接位置處的混凝土最大拉應力為0.95 MPa，未超過混凝土極限拉應力，且已無增大趨勢，現場巡查新舊混凝土接觸面附近無裂紋產生。

圖9 左線道床沉降

圖10 右線道床沉降

圖11 既有1號線影響段上、下行線靜力水準監測值

4.2.3 暗挖段施工內部變形監測

通過整個暗挖施工過程數據分析，暗挖段初支收斂左線左側導洞最大值3.74 mm，右線右側導洞最大值4.24 mm，滿足規范及設計相關要求，隧道開挖過程安全可控，如圖12所示。

圖12 凈空收斂累計變化值

5 結論

(1)在換乘節點兩側明挖結構施工過程中，直接將新建結構與既有結構的負一、二層連成整體，可實現對后續暗挖施工引起的既有車站沉降的托舉作用；在滿足施工安全的前提下，也起到節約施工成本的目的。

(2)托舉法的關鍵施工技術包括基坑開挖技術、新舊結構的連接技術、暗挖段降水、加固技術和暗挖段開挖、結構施工技術。

(3)數值計算和現場實測結果表明，采用托舉法施工可同時保證既有車站運行和結構受力安全。

(4)托舉法的使用具有一定的前提條件，即基底為承載力較高、無明顯流變特性均質地層(如砂層)且工后差異沉降小；施工前，應在理論分析與監測明挖段施工引起的沉降發展的基礎上進行方案選用。