暗挖下穿既有隧道的地鐵車站結構設計研究

孟慶彬

浙江華展研究設計院股份有限公司 浙江 寧波 315010

引言

近年來，大部分城市都在著力建立完善的交通網絡，地鐵工程為其中的重點項目。地鐵工程利用了地下空間，對提高交通效率、緩解交通壓力具有重要的意義，能為城市創造較大的經濟與社會效益。但地鐵工程屬于大型項目，其建設中的技術要求較高，我國在長期的地鐵車站項目建設中積累了豐富的經驗，構建了相對完善的施工技術體系。但面對暗挖下穿既有隧道的情況時，有關人員需結合現場情況優化地鐵車站的結構，減小施工作業對既有隧道的影響。

1 暗挖下穿既有隧道施工技術

1.1 隧道荷載分析

地鐵車站項目中如面臨暗挖下穿既有隧道情況，相關人員在設計與施工中應考慮隧道荷載大小，在此前提下優化車站結構。在分析隧道荷載時關鍵應考慮圍巖松動壓力，可通過以下方式來獲取：①現場實地測量，就是安排專人進入現場展開一系列測量，以得到完整、準確的測量結果，可能因測量技術、設備等而影響結果準確性。②理論公式計算，就是借助相應理論，通過實踐分析來得到結果。但實際的工程中因為圍巖地質有一定變化，在計算過程中的相關參數無法確定，再加上存在諸多因素影響，很難建立通用的圍巖壓力理論計算方法[1]。③經驗法或工程類比法，也就是通過統計的方式考慮現場情況，但此方式下相關人員需有豐富的工作經驗，開展前期調研、統計大量的工程信息，通過圍巖分級得到圍巖壓力的經驗值，將此數值作為后續確定圍巖壓力的參考。此方式下的數據基本能代表現場的圍巖壓力。一些情況下隧道結構的計算結果不能直接用在荷載設計中，針對此現象需選擇恰當的方式修正結果。

1.2 監控量測

地鐵車站建設中如遇到暗挖下穿既有隧道的施工情況，為減小地鐵車站施工對周邊建筑的影響，在工程現場必須開展監控量測，以通過測量獲得的結果判定圍巖是否穩定，選定設計與施工方式。現場的監控量測中需著力考慮地形地貌、支護結構、支護參數等來選定測量方式[2]。當前的工程領域對監控量測有較高要求，但這些量測項目中部分為必測項目，部分為選測內容，施工現場有關人員必須根據圍巖級別、作業條件來確定量測項目。通過規范化開展必測項目，能為結構設計、施工建設提供可靠保障。

1.2.1 既有隧道的監測。針對既有隧道的量測，因為在測量的專業性較高，必須將此項工作交由專業人員來負責，這些人員在用先進量測技術、儀器獲得了量測數據后，能總結一套符合實際的地層穩定性規律，了解現有隧道襯砌的受力特點、變化情況，并整合隧道結構變形、沉降等對結構施工的影響機理，從實際情況著手制定安全防控措施，以應對后續施工中可能發生的事故。按照一般情況，在既有隧道的監測中，監測斷面應在左右線隧道中線、新建工程中線交叉處、兩側對稱布置。

1.2.2 交叉點的監測。臨近交叉點位置極易出現施工安全問題，為減少這些問題，在現場也需展開一系列的監控量測，增加監控點，實現動態監測。經由監測結果，專業人員可選定此位置的開挖工藝、確定爆破參數與起爆方式等，為后續施工作業提供可靠保障。

2 工程概況

某地鐵車站項目，其周邊分布有大量建筑物、交通線路密集，施工建設中涉及暗挖下穿既有隧道條件。結合本工程現場的情況調查，隧道全長1.84km，為明挖工藝。地鐵車站建設期間，對隧道雙孔閉合框架結構有一定干擾，隧道頂板、底板、側墻、兩端墻厚分別為1m、1m、0.9m、0.7m、0.8m。工程現場的地質水文條件復雜，包含雜填土、粉土填土、粉土、黏土、粉質黏土等，地下水充沛，有上層滯水、潛水、承壓水、層間水。潛水水位在車站中樓板處，承壓水水頭在車站底板以下1m。

3 車站主體結構設計要點

3.1 結構設計方法對比

此地鐵車站工程中車站在既有隧道結構下方，施工建設中主要可采用明挖法、蓋挖法、礦山法。根據此車站現場的情況，經由技術性、經濟性、安全性等分析，最終選擇礦山法。

本車站施工建設中，難點在于控制地表沉降，不僅需保障車站施工作業，也需減小其對既有隧道結構的擾動。礦山法作業中，交叉中隔離法（CRD）下的開挖工作量大，斷面尺寸大，可能引發較大的地層沉降，與本工程項目的施工要求不一致；一次扣拱法下的導洞開挖斷面尺寸也相對較大[3]。從車站現場的實際情況分析，最終選用了PBA工法，此工藝下具有諸多優勢：導洞開挖斷面尺寸小，對既有隧道的地基擾動小；如為平頂車站結構，車站頂板應與隧道底板緊密貼合，在構建了柱體體系后，能作為隧道的支頂。綜上，現場作業中采用PBA施工方式。

3.2 二襯結構方案

以PBA工藝的普遍性作業流程分析，可將本車站建成拱頂車站，為將隧道沉降控制在安全標準內，車站與既有隧道應有一定距離，以符合安全性施工要求。既有隧道底板埋深12.5m，如車站施工中與既有隧道之間保持5m的距離，車站頂板埋深為17.5m，此埋深數值較大，將同步增大車站樁基礎壓力，因為基底持力層地基承載力雖有增長，但增長幅度有限，如樁基頂部荷載超出上限，基礎設計中需考慮更多因素，后續作業中也存在較大風險。另外，車站與既有隧道保持5m的距離，不利于隧道的沉降控制。

通過上述分析，可選擇將車站設計為平頂直墻斷面，使車站頂板與隧道底板緊密貼合。這一方式下不僅能大大減小埋深，還能從根本上控制荷載、車站結構構件尺寸。另外，車站頂板密貼隧道的結構下，車站能作為隧道的支頂，對預防和控制隧道沉降非常有效。

3.3 臨時支頂結構體系

3.3.1 主體結構導洞。地鐵車站中導洞為不可或缺的部分，在導洞中涉及諸多施工任務，如邊樁、中樁的機械化成孔作業、鋼管混凝土柱的安裝、冠梁與頂縱梁的澆筑作業。永久支頂體系建成以前，導洞結構為上方既有隧道的臨時支頂，在整個結構體系中具有重要作用。

考慮在樁下、柱下是否有設置的條基，PBA工藝下此車站的導洞結構形式有以下三種，其對比結果如表1所示。

從上表可知，本車站建設期間應采用4導洞施工方法。現場作業中應遵循4導洞施工規范，如在開挖階段，應兩兩一組開挖，率先開挖1和3導洞，結束并通過驗收后，滯后一個柱距開挖2和4導洞，或者在施工建設中可先開挖1和4導洞，滯后一個柱距開挖2導洞，最后滯后一個柱距開挖3導洞[4]。依據PBA工藝的施工情況，一般在導洞開挖中無嚴苛規定，技術人員與施工人員應立足現場情況來確定開挖流程。針對本車站實際情況，需盡早構成隧道的支頂體系，如在隧道完全貫通后立即設置邊樁，并開始冠梁混凝土的澆筑作業，能達到支頂目的。

經過有關軟件的模擬分析，現場作業中應堅持以下工序：1、4導洞施工、邊樁、冠梁作業、2、3導洞施工、中樁與結構柱、其余結構。

3.3.2 鉆孔灌注樁（邊樁、中樁）。車站施工過程中邊樁、中樁的豎向剛度相對較大，超過了導洞，且邊樁、中樁與上方既有結構緊密貼合，在現場構造了樁柱體系后，上方既有結構的荷載通過鉆孔灌注樁傳輸，因此，車站結構體系中的邊樁、中樁為第二套臨時支頂。

中樁結構按照一柱一樁布置方式，本質上為軸心受壓構件，其承受的荷載較大，超過了邊樁承受的荷載，且中樁樁距超過邊樁樁距。為此施工建設中相關人員應利用大直徑樁作為中樁。

結構體系中單樁豎向承載力為核心指標，施工人員應通過經驗公式、現場樁基靜載試驗的方式得到結果。根據本項目現場的諸多情況，經由一系列分析與計算，圍護邊樁樁長13m，柱下中樁樁長考慮了現場地層特點，部分長30m，一部分長22m。

在車站主體結構導洞內有關人員需嚴格按照相應標準開展樁基靜載試驗，經由一系列分析后，設計樁長符合結構施工標準。

邊樁與中樁施工中，重點應關注其承受的荷載情況、樁徑與樁長，因為二者的這些參數差異，在樁頂部位的沉降值有大有小。在結構施工中為防止車站頂板因邊樁、中樁的不均勻沉降而產生大彎矩現象，應考慮采取相應的措施控制邊樁、中樁的不均勻沉降。樁基沉降參照行業內的沉降計算公式來得到，并同步計算圍護邊樁、柱下中樁沉降值。

3.3.3 鋼管混凝土柱。由于本地鐵車站工程的結構體系復雜，結構設計中為保障結構安全性與穩定性，同樣需做好鋼管混凝土的設計與施工。第二套臨時支頂構件中鋼管混凝土柱不可或缺，雖僅為支頂結構的一小部分，但其也為永久性結構柱，在結構體系中承受一定的豎向作用力。具體的設計過程中相關人員需分析現場環境，做好受力分析與計算，確保所選擇的設計方式能與結構剛度、強度、穩定性等要求相一致。

本地鐵車站項目的結構體系復雜，現場作業中首先應做好鋼管混凝土柱的定位，依據設計圖紙選擇恰當的測量工具，規范操作確保定位精度。結合行業內的相關要求，允許定位偏差應在2cm以內，垂直度偏差應在1/500以內，在計算柱的承載力時施工人員應分析允許偏差這一因素，并考慮地下車站結構跨度均衡性不足或者存在施工偏載問題時的情況[5]。

結構體系中鋼管混凝土柱并非獨立存在，其與其他構件之間存在緊密聯系，為促進鋼管混凝土柱與其他構件的可靠連接，相關人員應根據實際情況與結構要求，選擇恰當的連接工藝，并以剛接節點來設計。本項目中鋼管混凝土柱插入鉆孔灌注樁基礎一定深度，為符合結構安全與穩定標準，現場應通過構造處理方式錨固鋼管柱，此時柱與柱之間的約束作用就為剛接。鋼管柱與現澆中樓板梁的連接節點設計中需達到梁端剪力傳遞、彎矩傳遞要求，因為本車站箱型框架結構的受力特點，應采取環形牛腿與雙梁相結合的形式，此形式的結構簡單，施工便捷，更有助于實現結構質量與安全目標。

4 結束語

地鐵車站為當前城市中的重點項目，其城市發展中的意義重大。但因為地鐵車站施工的復雜性，特別是暗挖下穿既有隧道施工作業中相關人員需合理開展結構設計，保障結構體系的科學性。未來針對暗挖下穿既有隧道的地鐵車站施工作業，專業人員需繼續創新結構施工技術。