下穿既有地鐵車站的換乘節點設計

成朋健

（成都暢達通檢測技術股份有限公司,四川 成都 610095）

0 引言

隨著城市軌道交通建設不斷發展，設計標準不斷提高和完善，新線建設中出現換乘車站情況日益增多，車站周邊需要建設的構筑物日趨復雜，先期預留條件未必能滿足后續新線的要求，換乘車站建設及改造也會更具挑戰性，根據實際情況制定安全、合理、經濟的設計方案顯得尤為重要。

1 工程概況

成都軌道交通30號線某車站，與既有6號線車站呈T節點換乘。車站位于交叉路口西側，沿道路東西向敷設，采用地下三層島式站臺車站。既有6號線車站為地下二層島式站臺車站。

30號線負三層下穿既有6號線。下穿段頂板與6號線底板共板設置。6號線中間跨底板后期開孔改造，以作為換乘通道使用。通道斷面為單層三跨矩形，長約30.8 m，寬25.2 m，高7.4 m，兩側為30號線明挖基坑，車站主體基坑深度24.7 m。車站南側距離既有6號線B出入口0.5 m，四周有德必川報易園2層混凝土框架以及新華文軒6層磚混等建構筑，導致地下管線眾多，周圍環境復雜，同時項目存在較大巖層裂隙水、施工場地不足等制約因素，如1和圖2所示。

圖2 換乘節點負三層橫剖面圖

2 換乘節點工法及結構設計概況

基坑深度范圍內從上往下依次分布有〈1-2〉雜填土、＜2-5-2〉中細砂（稍密）、＜2-5-4〉中細砂（密實）、＜2-9-2〉卵石土（稍密）、＜2-9-3〉卵石土（中密）、＜2-9-4〉卵石土（密實）、＜5-1-2〉強風化泥巖（K2g）、＜5-1-3〉中等風化泥巖（K2g）等土層，負三層換乘節點主要位于〈5-1-2〉強風化泥巖（K2g）、＜5-1-3〉中等風化泥巖（K2g）。地下水位為地面以下2 m，場地地下水主要有第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種。

圖1 項目位置示意圖

既有6號線預留條件：①既有6號線側墻及底板換乘節點處已預留的暗梁暗柱，但預留條件不滿足接口要求，需進行改造；②預留暗挖條件：換乘節點處既有6號線東西兩側采用φ1 200 mm圍護樁已嵌固至30號線基坑底部下方5 m；在30號線左線及中間跨范圍6號線底板下已經預留的板凳樁，但右線跨南側未預留，板凳樁上半段8.42 m范圍直徑為φ1 200 mm、φ1 000 mm，下半段直徑為φ1 600 mm、φ1 400 mm（樁長約17.25 m，底端擴底長約2.4 m）；同時隧道開挖范圍板下預留的φ1 200 mm半截分隔樁，L=12 m。6號線明挖基坑的支護采用φ1 200 mm鉆孔灌注樁+內支撐形式，基坑深度為24.7~26.5 m，圍護樁嵌入深度為3.0 m。

換乘節點位于正在通車運營的地鐵6號線車站正下方，周邊臨近建構筑物及管線較多，同時結合本站換乘節點地層情況以及既有 預留情況，換乘節點施工工法以及負三層結構設計應充分考慮對既有地鐵線及鄰近建筑物的保護。具體保護思路如下：

2.1 車站整體施工工序

基坑環境復雜，變形要求嚴格，且基坑較深，為了保證既有車站兩側受力平衡，控制基坑開挖對既有地鐵隧道的影響，本車站基坑采用分期施工方案，即先施工既有6號線地鐵的兩側明挖基坑，完成明挖部分主體結構（一期），待主體封頂以后再施工換乘節點部分（二期）。

2.2 蓋挖開挖工序及C型導墻

換乘節點單層為三跨框架結構。北側跨和中間跨能夠利用既有6號線預留板凳樁進行開挖。南側跨未預留板凳樁。為控制蓋挖施工對既有地鐵車站影響，需提前在南側跨設置豎向傳力結構，因此需要先在右線施工導洞，完成半跨主體兼做豎向傳力結構。

2.3 疊合頂板

車站負三層位于中風化泥巖，裂隙水壓較大，同時施工既有6號線底板未預留與負三層側墻連接鋼筋接駁器，若破除防水層，采用植筋連接，既不滿足地鐵耐久性要求，同時無法保證施工質量以及側墻頂部承載水平力要求。因此在6號線底板下方增設一層疊合頂板，作為負三層側墻水平傳力結構，提高新舊連接部位防水性能，對6號線底板加強，減小后續對既有6號線底板開洞改造帶來的影響。

2.4 基坑降水方案

基坑開挖影響范圍內的地層主要為強風化及中風化泥巖層，頂部為砂卵石土層，受限于場地限制，為減小對既有車站以及周報建構筑物影響，采用坑內降水，同時起到疏干土體的作用。采用φ600管井降水，換乘節點兩端南北兩側布置降水井，降水井深度為基底6 m，基坑施工期間保持坑內水位在開挖面以下1 m。由于兩端降水井緊靠車站，降水影響范圍大，而地下水位的變化會引起地鐵車站結構受力的變化，降水亦對沉降有一定的影響，因此蓋挖施工期間，在基坑外設立一定的回灌井，盡量減小坑內降水對地鐵結構及周邊建筑物的影響。

3 換乘節點設計及計算分析

3.1 暗挖導洞支護設計

導洞采用礦山法施工，考慮南側跨中部有一排預留的廢棄分隔樁，導洞開挖寬度設置為3.9 m，開挖高度為7.5~7.67 m，導洞初期支護與二次襯砌間敷設柔性防水層，形成復合式襯砌結構，其余主體防水體系設置與明挖主體一致。初期支護結構厚300 mm，由網噴混凝土、鎖腳錨管、鋼筋網、鋼拱架等支護形式組合形成。二襯襯砌結構底板為1 000 mm，側壁為900 mm，疊合頂板為700 mm。

由于導洞頂部緊靠6號線底板，為控制暗挖施工對車站沉降影響，遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤測量”的18字方針[1]，只能在導洞兩側設置超前小導管支護加固。考慮導洞開挖寬度較小，采用上半斷面臨時閉合法開挖，鋼架采用工22a型鋼鋼架，間距50 cm。拱架之間采用環向間距1 m的鋼筋連接，并在拱架拱腳施作鎖腳錨管，注水泥漿。

3.2 蓋挖施工工序

導洞內C型導墻施工完成后，結合6號線預留板凳樁，作為剩余開挖階段的豎向臨時支撐構件，但考慮換乘節點開挖寬度較大，預留板凳樁設計強度與實際強度存在差異，施工期間6號線運營列車對底板持續沖擊振動，為減小開挖對6號線底板受力及變形影響，剩余蓋挖部分從上向下，從西向東，逐層逐部開挖。

3.3 三維數值分析檢算

3.3.1 建模思路

車站換乘節點設計需考慮施工以及運營兩個階段受力變形分析[2]。

施工階段采用“地層--結構模型”進行受力及變形分析。使用期間采用“荷載--結構模型”進行受力及變形分析（如圖3所示）。

圖3 三維有限元模型（mm）

3.3.2 分析結果

通過在施工階段與運營階段工況下模型計算，對既有6號線車站驗算結果如下：

（1）如圖4所示地表沉降最大約4.19 mm＜20 mm（控制值）。

圖4 地表沉降（mm）

（2）主體變形驗算：

既有6號線頂板：最大豎向變形約1.90 mm＜10 mm（控制值）。

既有6號線中板：最大豎向變形約1.80 mm＜10 mm（控制值）。

既有6號線底板：最大豎向變形約3.00 mm＜10 mm（控制值）。

（3）強度驗算：既有6號線結構底板跨中最大彎矩設計值為218 kN·m，支座彎矩設計值為663 kN·m，最大剪力399 kN，經核算底板跨中配筋采用Φ28@100 mm，支座Φ32@100 mm，結構強度滿足要求。

（4）裂縫驗算：既有6號線底板支座最大裂縫為0.17 mm≤0.2 mm（控制值）；側墻支座最大裂縫為0.2 mm（控制值）≤0.2 mm（控制值），裂縫寬度滿足設計要求。

（5）地基承載力驗算：施工階段及運營階段于地基頂部壓力為Pmax=350 kPa＜fak=500 kPa（中等風化泥巖），地基承載力滿足要求。

（6）抗浮及樁基驗算：通過車站在考慮抗拔樁、壓頂梁及部分圍護樁兼抗拔后，車站抗浮系數k=1.56＞1.15（控制值）滿足要求；底板預留板凳樁的抗拔及豎向承載力均滿足要求。

綜上所述，施工階段30號線暗挖下穿施工對既有6號線的影響在可控范圍內，符合要求；運營階段車站主體結構變形、強度、裂縫及抗浮均滿足要求。

4 現場監測

基坑開挖期間對基坑變形、地鐵及臨近建（構）筑物的沉降等進行了緊密監測。換乘節點范圍內既有6號線底板動態監測點編號為DM5-2~DM8-1。監測時間從30號線暗挖下穿施工至負三層主體施工完成。底板變形監測數據如圖5所示：

圖5 既有6號線車站底板（DM5-2~DM8-1）豎向位移累計曲線（mm）

各項監測數據歷史最大值如下：地鐵車站道床及底板最大豎向位移1.8 mm＜10 mm（控制值）；道床左右差異沉降0.74 mm＜4 mm（控制值）；道床縱向差異沉降0.96 mm＜4 mm（控制值）。

5 結語

鄰近既有運營地鐵線路修建隧道及車站，其首要管理目標是保證既有線路的使用安全。針對新建30號線車站換乘節點施工所處的復雜地質條件，采取了科學、合理的施工技術，嚴格施工流程，實現了對既有6號線底板的加強，提高了新舊結構連接質量及耐久性，保證了運營階段結構受力安全性、結構防水的耐久性。監測數據也顯示，負三層換乘節點施工對兩側明挖基坑變形，地鐵沉降變形、周邊建（構）筑物沉降等均在可控范圍，且工程實施未影響既有地鐵6號線的正常運營及臨近建（構）筑物的正常使用。該案例所采取的施工技術對減小既有地鐵的影響效果良好，為車站換乘節點施工提供了借鑒思路。