新建地鐵車站超大斷面密接下穿既有車站影響分析*

鄭龍超 王明勝 路軍富 廖品富

(1.中鐵隧道局集團建設有限公司，530007，南寧； 2.中鐵城市發展投資集團有限公司，610218，成都；3.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，610059，成都∥第一作者，高級工程師)

近年來，新建地鐵車站零距離下穿既有運營地鐵車站已成為城市建設中常見的工程問題。目前，國內已有不少學者對零距離下穿建筑物地鐵施工項目進行了研究。文獻[1]將Peck公式理論數據與國內各地區實際工程數據進行對比分析，獲得了Peck公式具有一定普適性的結論，但其適用范圍受隧道的埋深、斷面形狀及支護形式等參數的影響。文獻[2]對Mair公式進行了修正，增強其適用性及可應用性。文獻[3]通過機理研究，結合國內外下穿結構案例，建立了適用于體型簡單、結構剛度均一的建筑物剛度修正法。文獻[4]提出了一種由下穿既有地鐵站引起的上部結構沉降變形的預測方法。文獻[5]分析了施工期間，土體注漿范圍對隧道附加變形的控制作用。文獻[6]結合變位分配原理和CRD(交叉中隔墻)法+頂撐施工技術，模擬分析了既有車站結構沉降規律和分步變位控制標準。文獻[7]研究了由PBA(洞樁逆作)八導洞法、PBA 六導洞法、暗挖三導洞法及暗挖四導洞法施工引起的地面及既有隧道變形情況。

綜上所述，目前對零距離下穿建筑物的研究較多，但對實際工程中的超大斷面暗挖施工對周圍建筑物的影響研究較少。鑒于此，本文以成都地鐵倪家橋站新建8號線換乘車站為例，針對超大斷面暗挖施工對既有車站結構變形規律的影響問題，提出通過L型梁及馬頭門約束、5導洞10斷面分部暗挖法等一系列施工方法控制既有車站沉降。本文研究可為類似工程施工提供借鑒與工程經驗。

1 工程概況

1.1 下穿隧道與既有車站的位置關系

成都地鐵倪家橋站新建8號線(以下簡稱“8號線”)位于人民南路和倪家橋路交匯處，地鐵車站位于人民南路西側，沿領事館路和倪家橋路布置，部分軌行區下穿既有地鐵1號線(以下簡稱“1號線”)和待建地鐵18號線(以下簡稱“18號線”)進行三站換乘，三線平面布置圖如圖1 a)所示。既有車站為地下兩層島式明挖車站，長為180.0 m，與8號線為T型換乘。新建地鐵車站為地下三層島式車站，總長為277.0 m，寬為22.3 m，換乘節點范圍基坑深度為35.14 m，暗挖段沿8號線主體結構縱向剖面圖如圖1 b)所示。新建車站換乘通道需在負三層密接暗挖下穿既有車站，暗挖段初次襯砌結構密貼既有車站底板。下穿隧道暗挖斷面面積為211.77 m2，寬為23.4 m；開挖深度最大為9.05 m，最小為8.55m；穿越長度為18.7 m。

圖1 下穿隧道與既有車站位置關系示意圖

1.2 工程地質

本工程場地基巖為白堊系灌口組紫紅色泥巖，暗挖段上半部分位于<2-5-3>中密卵石土層，下半部分位于<5-2>強風化泥巖，中風化泥巖位于暗挖底板下2～3 m處。地下水賦存于基巖裂隙中，含水量一般較小，但在巖層較破碎的情況下常形成局部富水帶。

1.3 施工方案

由于下穿隧道頂板緊貼既有車站底板，導致施工操作空間狹小，既有車站的沉降控制難度較大，進而影響地鐵正常運營。通過施作L型梁、馬頭門(隧道洞口處梁柱支撐結構)等結構形成約束既有車站變形的受力體系；采用5導洞10斷面分部暗挖法+中心鋼管柱頂撐工藝下穿施工，及時施作初次襯砌封閉成環形受力體系；施作二次襯砌結構完成受力體系轉換。下穿隧道施工斷面示意圖如圖2所示。

圖2 下穿隧道施工斷面示意圖Fig.2 Diagram of under-passing tunnel construction section

1.4 主要施工工藝

1) L型梁及馬頭門約束體系。在開挖施工斷面前，施作既有車站頂板上方的L型梁和暗挖段洞門處的馬頭門，加強對既有車站的約束作用，控制既有車站的變形。L型梁為8號線及18號線換乘節點主體結構頂板與既有車站頂板的連接結構，馬頭門位于既有車站底板下方，起到支撐既有車站側墻和底板的作用(見圖1 b))。

2) 鋼管群樁頂撐工藝。開挖期間在既有車站受力框架柱正下方施作1導洞及2導洞處的鋼管群樁。首先采用潛孔鉆進行施工，錨入基底下6 m，每個框架柱下施工11根φ219 mm鋼管樁，鋼管樁采用壁厚為12 mm、長為12 m的無縫鋼管；然后在鋼管樁內灌注C50微膨脹混凝土；最后架設鋼架平臺，在平臺上放置4臺100 t千斤頂頂撐，使得鋼管群樁既能夠頂撐既有車站，又能調控既有車站的沉降；澆筑二次襯砌時取下千斤頂，并施作鋼管混凝土柱。鋼管群樁頂撐工藝如圖3所示。

圖3 鋼管群樁頂撐工藝Fig.3 Steel pipe pile group jacking technique

2 密接下穿既有地鐵車站施工模擬計算要素

2.1 建立計算模型

根據理論分析和設計資料，考慮到隧道施工影響范圍、降低邊界效應及既有地鐵1號線圍護結構等情況，劃定計算模型邊界范圍為：計算模型水平方向取既有地鐵1號線的設計長寬；模型底部邊界至下穿隧道下側邊界為45 m；上部邊界為自由面；底部為x、y、z三向約束；兩側邊界均施加法向約束。計算模型中土體、二次襯砌、既有車站和馬頭門均采用實體單元進行模擬，初期支護采用析取的板單元進行模擬，挖孔樁、鋼管柱采用植入式梁單元進行模擬。土體采用摩爾-庫倫模型，其余結構均采用彈性模型。模型范圍為165 m(x向)×24 m(y向)×70 m(z向)。有限元計算模型如圖4所示。

圖4 有限元計算模型Fig.4 Finite element calculation model

2.2 選取參數

2.2.1 計算單元及參數

地層的物理力學參數參考文獻[8]和GB 50157—2013《地鐵設計規范》，計算模型中圍巖的力學參數如表1所示。

表1 模型圍巖力學參數Tab.1 Surrounding rock mechanical parameters in model

2.2.2 荷載

既有車站軌道上的荷載為均布列車荷載，均布列車荷載為40 kN/m2。荷載施加形式示意圖如圖5所示。

圖5 荷載施加形式示意圖Fig.5 Diagram of load application form

2.3 選取主要施工步驟

下穿隧道斷面開挖完成或施作結構完成時，地面、既有車站及下穿隧道的變形和受力均較大。選取的關鍵施工步驟及其施工內容如表2所示。

表2 關鍵施工步驟及其施工內容Tab.2 Key construction steps and contents

3 既有地鐵車站變形特征分析

3.1 樓板變形規律分析

全部施工步驟完成時，沿既有車站中軸線各樓板節點的豎向位移曲線如圖6 a)所示。各樓板最大累積位移變形量占總位移變形量的百分比條形圖如圖6 b)所示。由圖6可知：當全部施工步驟完成時，底板沿既有車站中軸線變形曲線呈V型，頂板、中板變形曲線呈U型，下穿隧道與既有車站交疊處沉降明顯；開挖影響范圍約為85 m，是開挖寬度的3.63倍，是開挖高度的9.39倍；底板最終沉降值為3.03 mm，中板最終沉降值為2.68 mm，頂板最終沉降值為2.70 mm，底板沉降約為中板沉降、頂板沉降的1.35倍，且頂板沉降略大于中板沉降，這是由破除既有車站一層側墻導致的。

圖6 施工過程中的既有車站樓板變形情況

8號線端圍護樁破除以及1-1斷面開挖是影響既有車站變形的主要施工步驟。底板的最大累積沉降量占比約為27.4%，中板的最大累積沉降量占比為25.4%，頂板最大累積沉降量占比為21.5%。因此，控制主要影響施工步驟的施工進度，可以有效防止既有車站的突變變形。

3.2 軌道變形規律分析

全部施工步驟完成時，各軌道豎向位移曲線如圖7所示。由圖7可知：全部施工步驟完成時，各線路軌道豎向位移變化規律相似；沉降槽位于下穿隧道中軸線上；左線軌道受開挖影響較大，變形曲線呈V型，內側軌道比外側軌道沉降大，最大沉降值分別為2.52 mm和2.28 mm；右線軌道受開挖影響較小，變形曲線呈U型，內側軌道比外側軌道沉降大，最大沉降值分別為2.04 mm和1.75 mm。

圖7 施工完成時各線軌道豎向位移

4 既有車站變形實測結果與計算結果對比分析

4.1 既有車站變形實際監測方案

在既有地鐵1號線車站軌道道床間距5～10 m處布置一個監測斷面，記錄既有線路豎向位移。既有地鐵1號線線路監測點布設如圖8所示。根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》，當檢測對象的沉降實測值與結構安全控制沉降指標值的比值<0.6時，可正常進行外部作業。本項目結構安全控制沉降指標值為10.00 mm，可得沉降預警值為6.00 mm，沉降速率為1 mm/d。本工程項目的地鐵車站沉降為4.84 mm，小于預警值，滿足規范要求。

圖8 既有1號線線路監測點布設

4.2 既有車站實測變形分析

施工完成時，既有車站各線路監測點豎向位移時程曲線如圖9所示。由圖9可知：既有車站各線路沉降規律相似，隧道交疊處沉降明顯，并向兩端逐漸遞減；左線比右線受開挖影響大，內側軌道比外側軌道沉降大，其中左軌內側軌道沉降最大，其最大沉降值為4.84 mm，是其他軌道沉降值的1.05～1.29倍；主要影響既有車站線路變形的施工步驟是開挖1-1斷面；各線路沉降均滿足安全控制標準。

圖9 施工完成時既有車站線路監測點豎向位移時程曲線

4.3 既有車站變形結果對比分析

施工完成時，既有車站線路實測結果與計算結果對比如圖10所示。由圖10可知：全部施工步驟完成時，既有車站線路實測結果與計算結果變化趨勢相似，但實測結果豎向位移更大，軌道沉降最大值出現在隧道中心上方；左線外側軌道實際監測最大沉降為4.61 mm，是計算結果沉降值的2.70倍，內側軌道實際監測最大沉降為4.84 mm，是計算結果沉降值的2.38倍；右線外側軌道實際監測最大沉降為3.75 mm，是計算結果沉降值的1.52倍，內側軌道實際監測最大沉降為4.52 mm，是計算結果

沉降值的2.04倍；實際監測結果最大沉降值是計算結果最大沉降值的1.52～2.70倍；實測結果與計算結果均滿足安全控制要求。產生這些現象的主要原因為：現場施工過程中支護不及時，受到平均每3 min一次的列車動載作用，施工步驟銜接速度慢，計算參數取值與實際參數存在偏差。

圖10 施工完成時既有車站線路實測結果與計算結果對比

5 結語

結合實際車站大斷面密接下穿既有車站工程，研究了超大斷面暗挖施工對既有車站結構變形規律的影響，將數值模擬計算結果與實測結果進行了對比分析。主要結論為：

1) 下穿施工采用L型梁及馬頭門約束體系、5導洞10斷面分部暗挖法及鋼管柱頂撐工藝等，既能有效控制既有車站的沉降，又保障了既有車站的正常運營。

2) 既有車站交疊處沉降明顯，樓板最大沉降值為3.03 mm，橫向影響范圍約為85 m。主要影響施工步驟為新建車站8號線端圍護樁破除、1-1斷面開挖及二次襯砌1段施作。

3) 既有車站各軌道實測結果與計算結果變化趨勢相似，豎向位移數值相差1～3 mm。實際變形受現場施工過程中支護不及時、平均每3 min一次的列車動載作用。最大沉降值為4.84 mm，位于左線內側軌道，實測結果與計算結果均滿足安全控制要求。