新建地鐵車站零距離下穿既有地鐵車站擾動變形規律控制

黃章君，韓現民，譚建兵，王 康，李文江

(1.中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201；2.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

1 工程概況

1.1 工程規模及環境特點

鄭州地鐵4號線會展中心站為地下三層14 m雙柱島式結構，垂直原有車站方向布置，車站總長167.02 m。1號線會展中心站為地下兩層站，施工時已預留與4號線換乘條件，既有1號線負二層底板為現在4號線負三層中板，1、4號線之間在地下三層實現換乘，長度為23.7 m。

1.2 工程地質及水文地質條件

工程施工涉及地層主要有人工填土、粉土、粉質黏土、粉細砂等土層。本場地地下水位埋深約為9.2 m，暗挖段主要位于埋深20.5～32.9 m的粉砂層，為微承壓水中-強透水層，承壓水頭約5 m。

1.3 下穿施工設計方案

1)1號線車站設計和施工時考慮到后期換乘的需要，在換乘節點位置底板下設置了兩排800 mm厚地下連續墻，底板預留了打開條件，框架柱下設置了鋼管柱，鋼管柱下預留直徑2 000 mm支撐樁，插入基底深度25 m。

2)首先對換乘節點土體進行水泥-水玻璃雙液漿注漿加固，下穿1號線暗挖段臨時支護采用工20a型鋼鋼架，鋼架間距0.5 m，鋼架與既有1號線地連墻采用植筋連接，掛設φ8單層鋼筋網，噴射30 cm厚C25混凝土，徑向打設φ22 mm砂漿錨桿，間距1 m×0.5 m梅花型布設，拱腰、拱腳均設2根φ42 mm鎖腳錨管，長度為3.0 m。采用上下臺階法開挖，臺階距離按5 m控制。

3)暗挖施工采用分部導洞作業，具體施工步序如圖1：(a)上下臺階開挖左側部分，做中隔墻及噴混；(b)施工左邊底板及側墻結構；(c)上下臺階開挖右側部分，施作中隔墻及噴混；(d)施工右側底板及側墻；(e)上下臺階分部開挖中部，施工中部底板；(f)拆除中隔墻，施工結束。

圖1 下穿段施工步驟

2 下穿施工數值模擬及變形分析

2.1 數值計算模型

為預測下穿施工過程中既有結構的變形規律和量值，尋找施工變形的關鍵控制工況，為后期施工方案優化和技術比選提供理論依據，研究中采用有限差分程序對下穿施工過程進行了三維數值模擬。根據工程實際情況，建立模型，共剖分591 039個單元。地面設置為自由端，其他面采用法向約束。根據地勘資料和結構材料屬性，確定地層和結構物理力學參數。

2.2 施工過程數值模擬

1)下穿既有線工程主要包括端頭井基坑施工、暗挖下穿與4號線主體結構施工。

2)下穿段采用由南向北的施工。

3)暗挖段施工模擬時，開挖方法為六導洞上下臺階法，并施作噴混、支撐，導洞開挖完成后施作換乘站混凝土底板及側墻。

2.3 下穿施工對既有車站軌道道床變形影響

1)既有線道床隆沉變形。新建車站施工對既有車站道床軌道豎向位移的影響，可通過監測既有車站左(北側)、右(南側)兩條線路上4條軌道位置處節點的豎向位移，得出原有線路在作業過程中軌道變化情況。

2)既有線路道床水平變形。暗挖下穿施工時，道床水平變形出現回彈減小現象；4號線主體結構施工后，受其自重和結構特征影響，道床產生指向端頭井方向變形，變形值增大，但量值微小，最大水平值為0.38 mm。

3 暗挖下穿既有車站變形控制基準

3.1 基于既有線行車安全的結構變形控制標準

《城市軌道交通結構安全技術保護規范》(CJJ/T202-2013)中對外部工程施工引起的既有軌道及地鐵隧道結構允許變形做出如表1所示規定。

表1 城市軌道交通結構安全控制指標值 單位：mm

3.2 基于既有車站結構安全的變形控制標準

不同施工階段極限狀態下所對應的最大豎向變形統計結果如表2所示。

表2 不同施工階段極限狀態下車站結構道床豎向變形 單位：mm

從計算結果可以看出，施工過程中，既有車站結構底板隆起控制最不利階段為端頭井基坑開挖階段，允許隆起限值為9.8 mm；沉降控制最不利階段為暗挖下穿施工完成階段，允許沉降限值為20.9 mm。

根據表2計算結果，并假定既有車站軌道變形與道床結構一致，由數值計算得到各施工階段極限狀態下對應的軌道差異變形，如表3所示。

表3 極限狀態下既有線路軌道豎向差異變形 單位：mm

3)下穿施工位移管理標準。將端頭井基坑開挖施工和下穿施工作為關鍵施工控制工況，并制定“雙控型”變形控制標準。為安全起見，施工過程中可將道床最大允許沉降15 mm、最大隆起5 mm和軌道最大允許軌向高差1.5 mm、最大允許橫向高差2.0 mm作為施工控制限值，采用極限位移值的70%作為施工過程相應的預警值，實現施工過程位移(變形)分級管理。

4 下穿施工變形現場監測

4.1 道床變形測點布置

為保證施工安全，選擇下穿段上部1號線結構DK25+093～DK25+208之間115 m范圍，對施工期間道床沉降進行了實時監測，共布設了21個監測斷面、42個測點。

4.2 數值模擬結果現場印證

選擇暗挖段施工結束后道床沉降變形為對比指標，左右線道床沉降變形規律基本一致，數值相差較小，誤差主要是由于數值計算無法完全模擬復雜的施工現場情況引起的；印證了以數值計算結果為基礎建立的施工位移管理基準是實際可行的。

4.3 道床變形模擬與實測結果綜合分析

選取監測里程范圍內暗挖段上方DK25+143、DK25+153、DK25+163三個斷面上對應左線和右線道床上監測點的數據進行分析，繪制了各個施工階段完成后測點處既有線路豎向變形和水平位移的曲線，如圖2、圖3所示(為方便描述，圖中橫坐標施工階段中1為換乘節點注漿、2為左側導洞開挖及支護、3為右側導洞開挖及支護、4為中間洞門剩余地連墻破除、5為中間底板混凝土澆筑)。

圖2 左線道床豎向變形

圖3 右線道床豎向變形

綜合數值模擬和監測數據可得：①隨著換乘段暗挖施工的開展，左線道床主要以沉降變形為主，右線道床以隆起變形為主，最大沉降量為1.23 mm、最大隆起量為1.78 mm，豎向變形滿足變形控制標準。②左線道床水平位移施工階段3達到最大值，為0.6 mm；右側道床水平位移于施工階段4達到最大值，為1.12 mm，水平向未達到預警指標。綜上，下穿施工不會對既有線路的運營和結構安全造成影響。

5 結語

下穿施工中不同階段既有車站主體結構(底板道床)變形的數值模擬表明，其中最大隆起值為1.5 mm，出現在基坑開挖完畢階段，最大沉降值為2.2 mm，出現在暗挖下穿施工結束后。文章提出的既有車站結構雙控型變形控制基準確定方法，為類似工程問題提供了新的解決思路，可供相關工程借鑒。