地鐵車站雙層暗挖段零距離下穿既有市政隧道風險分析

房 旭

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

在城市地鐵的建設過程中，往往會遇到新建地鐵線路近距離甚至零距離穿越既有建構筑物的工程難題。 地鐵下穿施工必然對既有地下結構產生擾動，影響既有結構的安全。 楊成永[1]等以某地鐵下穿既有車站工程為例，提出了密貼下穿既有車站的施工技術，并制定了“CRD+千斤頂”支護法及注漿等輔助措施;扈士琰[2]采用數(shù)值模擬方法對車站近接既有隧道結構施工進行分析和動態(tài)模擬;沈小輝[3]等對既有車站下方土體進行預加固、在暗挖隧道與既有車站間設置千斤頂兩種方法進行對比分析，推薦了千斤頂法。 還有不少學者對零距離下穿既有結構進行了許多有意義的研究工作[4-15]，并取得了一些很有應用價值的研究成果。 針對成都某地鐵站局部雙層暗挖段零距離垂直下穿既有市政隧道及高架橋工程，通過建立三維數(shù)值模型，模擬雙層暗挖段施工過程，揭示既有市政隧道結構、高架橋基的沉降特性，提出相應的風險控制措施。

1 工程概況

某既有市政隧道結構包括U 槽結構、普通雙孔閉合框架等，全長約449.071 m。 其中，框架段全長110 m，每22 m 設置變形縫1 道。 新建車站下穿段為雙孔閉合框架段。

新建地鐵車站采用地下三層島式站臺，跨路口設置，與既有市政隧道垂直交叉，交叉段為地下兩層結構，標準段外包寬度為22.5 m，島式站臺寬13 m，車站覆土厚約4.3 m。 新建車站與既有市政隧道平面交叉關系如圖1 所示。

車站邊導洞跨隧道變形縫布置，邊導洞距離高架基礎約8.5 m。 車站與市政橋隧剖面相對關系如圖2 所示。

2 數(shù)值模擬

圖1 新建車站與既有市政隧道平面交叉關系

圖2 新建車站與既有市政橋隧豎向交叉關系(單位：m)

根據(jù)地質勘察報告，擬建場地范圍內從上至下的地層主要為第四系人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖洪積松散-密實卵石層，場地穩(wěn)定性較好;地下水主要為第四系卵石層的孔隙潛水，抗浮設計水位為地下2 m。

根據(jù)工程地質、水文地質資料、工程現(xiàn)場自然環(huán)境及既有地下結構型式，車站密貼穿越既有市政橋隧擬采用PBA 六導洞法施工，其中上層4 個導洞為平頂直墻結構，下層兩個導洞為拱頂直墻結構。

采用三維數(shù)值計算程序對新建車站的施工過程進行仿真模擬計算。 混凝土及土體采用實體單元模擬，導洞初支采用殼單元模擬。 兩側水平約束，底部豎向約束，區(qū)域頂面自由(如圖3)。 采用有限元彈塑性本構模型和Mohr-Coulomb 準則，并假定材料為各向同性均勻介質。 工程地質力學參數(shù)如表1 所示。

為便于識別，將6 個導洞按照1 ～6 的順序進行編號，如圖4 所示，其中1、4 導洞跨市政隧道變形縫。

圖3 有限元計算模型

表1 工程地質參數(shù)

為了減少1、4 導洞開挖對變形縫兩側結構的影響，1、4 導洞最后開挖，按5-6-2-3 的順序先期開挖中間四個導洞。 中間四個導洞開挖完成后，在導洞內施作底縱梁、鋼管柱及頂縱梁，形成對中間市政隧道的豎向支撐體系，如圖5 所示。

圖5 中間市政隧道的豎向支撐體系

采用臺階法錯距開挖1、4 號邊導洞，從兩邊導洞向下施作人工挖孔樁。 邊樁打設完成后，及時施作樁頂冠梁，形成對市政隧道的四樁基支撐體系，如圖6 所示。

圖6 市政隧道的四個樁基支撐體系

導洞間土體貫通后，沿車站縱向分段(每段不大于一個柱跨)鑿除1、2、3、4 號小導洞部分的初期支護結構，施工頂板防水層及結構二襯，最終形成由車站頂板、邊樁及中柱組成的支撐體系，如圖7 所示。 最后，逆作法施工車站剩余主體結構及內部結構。

圖7 市政隧道的豎向支撐體系

3 車站施工對市政橋隧的影響分析

車站施工完成后的應力云圖如圖8 所示。 由圖8 可看出，青華路站開挖對車站正上方變形縫兩側的市政隧道結構產生了較大的影響，而對鄰近二環(huán)高架橋基的市政隧道結構影響較小。 因此，控制變形縫兩側的市政隧道結構變形為施工控制的重點。 為減少車站小導洞開挖對市政隧道基礎的削弱，采用全斷面注漿加固的方式對導洞間土體進行加固。 取車站與箱涵交點斷面為觀察斷面，對應車站施工各主要開挖步序的地表沉降云圖及沉降曲線如圖9～圖12 所示。

圖8 市政隧道應力

圖9 5/6 導洞開挖地表沉降

圖10 2/3 導洞開挖地表沉降

圖11 1/4 導洞開挖地表沉降

圖12 模型地表沉降曲線(剖面模型)

各步序開挖引起的地表沉降最大值及所占百分比如表2 所示。 由表2 可知，地表最終最大沉降值大致出現(xiàn)在車站結構中心線附近，約為28 mm;5 號、6 號導洞的開挖對地表沉降的影響最大，引起的地表最大沉降約占最終最大沉降的39%，其次是2 號、3 號導洞開挖，引起的地表最大沉降占最終最大沉降的百分比約為24%。

表2 地表最大沉降值占比

取車站與箱涵交點斷面為觀察斷面，對應車站施工各主要開挖步序的市政隧道沉降云圖及沉降曲線如圖13～圖16 所示。

圖13 5/6 導洞開挖隧道沉降

圖14 2/3 導洞開挖隧道沉降

圖15 1/4 導洞開挖隧道沉降

圖16 市政隧道沉降曲線(剖面模型)

各步序開挖引起的市政隧道沉降最大值占地表最終最大沉降值的百分比如表3 所示。 隧道結構的最大沉降出現(xiàn)在車站結構中線位置，約為34 mm;導洞開挖階段對隧道結構沉降的影響最大，沉降值約占最終最大沉降值的80%，其中5 號、6 號導洞的開挖對地表沉降的影響最大，引起的地表最大沉降約占最終最大沉降的37%，其次是2 號、3 號導洞開挖，引起的地表最大沉降占最終最大沉降的百分比約為28%。

表3 隧道結構底板最大沉降值占比

由圖16 可以看出，兩變形縫間的市政隧道結構呈現(xiàn)剛性整體沉降，兩變形縫外與兩變形縫之間的差異沉降明顯，車站開挖對高架橋基礎所在隧道結構沉降的影響較小。

4 擬采取的措施

車站施工對車站上方兩變形縫間隧道結構節(jié)段的沉降影響較大。 因此，如何控制該節(jié)段范圍內的結構沉降為本工程的重點和難點。

密貼下穿既有市政隧道施工過程中，因小導洞的開挖擾動，引起其上部既有結構和周邊土層的應力重分布，從而引起既有隧道結構的較大變形。 因此，考慮在小導洞開挖時對導洞間土體進行注漿加固，增加導洞間的土體剛度，減少導洞施工對既有隧道結構基礎的削弱作用。 及時對初支背后進行回填注漿，保證導洞頂板與市政隧道底板密貼。 改進噴射混凝土工藝，先噴射10 mm 厚砂漿，再噴射混凝土，以保證初支頂板與市政隧道底板密貼。 “短進尺、強支護、快封閉”，充分利用“時空效應”，在既有結構發(fā)生沉降前即形成導洞封閉。

既有市政隧道變形縫兩側的差異沉降較大。 為了保證既有市政隧道內的行車安全，采用了千斤頂頂升的手段，對既有市政隧道結構提供輔助支撐。 千斤頂可以安裝在小導洞初支結構上，隨著開挖及監(jiān)測情況，分級加載、動態(tài)調控，減少既有結構變形縫間的差異沉降。

5 結論

(1)車站施工對車站上方兩變形縫間隧道結構節(jié)段的沉降影響較大，兩變形縫間市政隧道結構呈現(xiàn)出剛性整體沉降，驗證了“先期開挖中間四個導洞，在導洞內施作底縱梁、鋼管柱及頂縱梁，形成對中間市政隧道的豎向支撐體系”的施工歩序是合理的。

(2)導洞開挖階段對既有市政隧道結構的沉降影響占比最大，應采取相應措施減少導洞開挖的多次擾動，抑制既有隧道結構的較大變形。

(3)采用千斤頂頂升等手段，對既有市政隧道結構提供輔助支撐，可減少既有結構變形縫兩側的差異沉降。