新建地鐵車站下穿既有線的方案研究及施工措施

劉露超 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著我國城市規模和經濟建設的飛速發展，城市化進程逐步加快，城市人口急劇增加，對城市交通運輸的壓力越來越大。而軌道交通已經成為人們出行的一種主要交通方式，對城市的交通疏導發揮著無法取代的作用。軌道交通建設除了考慮自身因素外，還需要考慮與既有線路的關系，包括下穿既有線路、上穿既有線路和平行既有線路等。在三種關系中，下穿既有線路無疑是影響最大的一類，一旦發生問題將會影響既有線路的運營通車，導致破壞性的后果。而一旦軌道交通發生破壞并且影響了運營的要求，將會對社會效益和經濟效益產生極大的危害，因此需要對新建軌道交通工程下穿既有線路的設計、施工進行分析研究，以保證既有線路的安全運營。

由于城市規劃調整或建設理念等原因，大部分既有線的建設并未對規劃線路進行穿越條件的預留，勢必造成后期新建線路必須采用臨近施工的方式穿越既有線。在上述情況下如何保證既有線安全運營以及新建軌道交通結構本身的安全是必須解決的兩大難題。本文以合肥市軌道交通某換乘車站為例，在綜合研究國內外下穿既有線工程實例的基礎上，經過對各施工工法的研究比選，確定了下穿既有線暗挖段的結構體系選型和施工工法。并通過三維有限元模擬計算驗證了方案的合理性。最后對暗挖段施工的關鍵工序提出相應的施工措施，同時對既有線的保護提出相應的控制措施。以期能對后續同類工程的方案設計和施工工法提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 車站概況

合肥市軌道交通紫廬站為1號線與7號線十字交叉換乘車站，1號線實施時考慮到遠期7號線的不確定因素較大，1號線紫廬站未對換乘做任何預留。

1號線紫廬站沿廬州大道南北向布置，為路側淺埋側式車站，車站主體為地下一層三柱四跨鋼筋混凝土箱型結構，車站兩端設下沉式廣場，兩側側墻延伸至地面兼做下沉式廣場擋土墻，全部采用明挖順作法施工。有效站臺中心處覆土厚約3.1m，車站外包總長167.5m，標準段外包寬度為25.8m，標準段底板埋深約11.15m。1號線紫廬站已于2016年開通運營。

7號線紫廬站沿紫云路路中東西向布置，為地下二層島式站，暗挖段車站主體為地下一層雙柱三跨鋼筋混凝土箱型結構。有效站臺寬14m，車站總長554.75m，標準段總寬22.9m。穿越既有軌道交通1號線采用暗挖法施工，暗挖段兩端車站采用明挖法施工。

1.2 工程、水文地質概況

1.2.1 工程地質概況

根據本項目巖土工程勘察報告，擬建工程范圍為二級階地地貌，車站范圍內自上而下土層依次為：①人工填筑土：稍濕，稍密，層厚0.4m～4.1m；①素填土：以粘性土為主，可塑～硬塑狀，層厚0.5m～5.8m；③硬塑狀黏土：干強度高，韌性高，該層穩定，連續性較好，層厚3.7～36.7m；③硬塑狀粉質黏土：干強度高，韌性高，該層穩定，連續性較好，層厚1.5～6m；⑤全風化泥質砂巖、泥巖：風化成硬塑～堅硬狀，層厚0.6m～15.8m；⑤強風化泥質砂巖、泥巖：巖質軟，遇水易軟化，失水后開裂明顯，鉆孔揭露層厚0.7m～7.7m；⑤中風化泥質砂巖、泥巖：巖質軟，手捏可碎，遇水易軟化崩解，巖體較破碎～較完整，埋深較深。

地層物理力學特性指標詳見表1。

土層物理力學參數表 表1

1.2.2 水文地質概況

場地范圍內地下水類型為孔隙水和基巖裂隙水。本工程巖層較深，無砂層，地下水以孔隙水為主，主要位于第四系人工填土層、粘性土層中。其中粘性土層為不透水～弱透水層，富水性弱，水量貧乏。人工填土中賦存少量上層滯水。根據鉆孔揭露，地下水埋深0～5.6m。

圖1 紫廬站總平面圖

圖2 平頂直墻CRD中洞法工藝技術

圖3 紫廬站暗挖段縱剖面圖

圖4 紫廬站暗挖段橫剖面圖

2 方案設計

2.1 工法優選

關于暗挖法下穿既有線在我國已有大量的工程實例及豐富的研究成果，近年來主要的工程實例及其使用的工法、相關措施匯總如表2。

國內主要暗挖下穿既有線工程實例匯總表 表2

在綜合研究以往下穿既有線工程實例的基礎上，經過對各施工工法的研究比選，本工程下穿既有線決定采用淺埋暗挖平頂直墻CRD中洞法工藝施工，密貼下穿既有車站。

淺埋暗挖的基本原理是通過對地層的適當加固和處理，合理調動圍巖的自承能力，采用短進尺開挖，及時施作初期支護結構并封閉成環，使圍巖和初期支護結構形成聯合支護體系以共同承擔施工階段荷載，在變形基本穩定以后施作二次襯砌。初期支護承擔全部基本設計荷載，二次襯砌作為安全儲備。這種先柔后剛的復合式新型支護結構體系較好地克服了暗挖工程中的不可預知性。

而CRD中洞法遵守“小分塊、短臺階、早成環、環套環”以及“豎向留坡、縱向錯臺”的施工原則，施工時分塊施工，優先構筑豎向支撐結構構件。首先施工中洞，在完成中洞的初支后，立即施作該部分的二次襯砌，通過中洞的梁柱體系減少暗挖變形，實現對地層的剛性支撐，能較好控制初支沉降變形及保護鄰近構筑物。中洞施工完成后兩側導洞對稱施工，以解決從中洞初期支護轉移到梁柱上時產生的不平衡壓力問題，兩側導洞的懸壁板（梁）采用鋼支撐進行臨時支護。CRD中洞法能夠有效控制變形發展，比較容易控制施工引起的地層沉降，減少對既有軌道交通的影響。

2.2 設計參數

本工程車站暗挖下穿段采用直墻平頂單層三跨矩形斷面的形式，暗挖結構由鋼格柵+噴射混凝土的初期支護和模筑鋼筋混凝土的二次襯砌構成，兩次襯砌之間設柔性防水層。暗挖施工前打設管棚和超前小導管。暗挖段結構參數見表3。

暗挖段結構參數表 表3

2.3 計算分析

采用MIDAS-GTS有限元分析軟件，建立三維有限元模型，對暗挖施工引起周圍地表、既有車站沉降進行計算分析，三維數值模型如圖5所示。

圖5 三維數值模型

計算結果如圖6。

圖6 隧道施工后地表豎向位移云圖

根據計算結果，暗挖下穿段施工完成后，地表最大沉降量為4.0mm，暗挖施工引起的地表沉降滿足規范要求。

根據計算結果，暗挖下穿段施工完成后，既有車站最大沉降量為2.2mm，最大水平位移為0.4mm，計算結果表明暗挖下穿段在施工過程中對既有車站的影響滿足既有車站保護要求，因此采用平頂直墻CRD中洞法密貼下穿既有1號線車站，能保證既有車站的安全，方案可行。

3 工程重難點分析

本工程車站換乘交叉節點位置，7號線密貼下穿既有1號線。既有1號線車站為單層四跨平頂直墻結構，高7.86m，頂板覆土厚度約3.1m。新建7號線車站暗挖段為單層三跨平頂直墻結構，寬度22.9m，高7.25m，下穿段長度30.2m。7號線下穿段車站頂板與1號線車站底板凈距0.73m。通過對設計方案和施工工法的研究，以及合肥地區相關暗挖工程的調研，本工程暗挖施工的重難點主要有：①暗挖施工期間需保證1號線的正常運營，因此既有1號線的沉降控制要求非常高（約5mm內）；②本工程暗挖段所穿越的地層為黏土及粉質黏土層，無砂層或其他透水層，且無地下水。根據以往工程經驗，合肥地區的黏土雖然自身強度較高，但注漿效果差。若對掌子面進行大范圍深孔注漿，不但難以達到注漿效果，還可能造成既有車站底板隆起。因此需優先考慮剛度大的超前初期支護，如型鋼格柵鋼架、管棚/管幕等。③暗挖段掘進方向與既有車站側墻、底縱梁垂直，因此既有車站結構向下傳導的內力并不是完全均勻的。

4 主要施工措施

針對上述本工程的重難點，對暗挖段施工的關鍵工序提出相應的施工措施。

4.1 開挖步序要求

①每個導洞分別采用臺階法開挖，一般循環進尺長度0.5m，下穿既有車站墻體、底縱梁時循環進尺長度0.35m；②開馬頭門前，暗挖段頂部需先打設管棚支護。施工每個導洞前，每個導洞側邊施工拱部小導管超前支護；③初期支護收斂穩定后，在初期支護背后注漿，使初期支護與地層及既有1號線車站底板密貼；④在噴射混凝土表面進行砂漿找平，鋪設防水層后自下而上灌注二次襯砌。頂部二次襯砌預留壓漿孔，保證初期支護與二襯之間密實。

4.2 鎖腳錨管要求

根據施工步序，每個臺階設置鎖腳錨管，一處打設一根，以防止格柵鋼架架設后下沉。

4.3 初支背后注漿要求

初期支護完成后應及時進行初支背后注漿，保證初支背后密實。注漿距開挖工作面5米的地方進行。初支頂部注漿管注漿完成后，需保證與既有1號線車站結構底板之間沒有空隙，以減少既有車站的沉降變形。

5 既有線保護措施

①嚴格遵循“管超前、嚴注漿、強支護、短開挖、早封閉、勤量測”的施工原則，做到隨挖隨支。施工中應加強對新建暗挖段及既有車站結構的監控量測，并及時反饋信息，以根據實際情況修正設計參數，確保施工安全。

②當開挖至既有車站結構的側墻及底縱梁時，需加強監控量測，加密格柵鋼架，減小開挖步長，及時施作二襯結構墻、柱，對既有車站進行有效支撐。同時初支及二襯背后應及時填充注漿。

圖7 暗挖施工后車站結構豎向位移云圖

圖8 暗挖施工后車站結構水平位移云圖

③暗挖段兩側明挖基坑范圍內的襯砌結構施作到頂板，且馬頭門上方施作超前加固措施之后，方可破除馬頭門，施作車站暗挖段。

④提前打設剛性超前支護管棚及小導管，縮短施工進尺，及早封閉支護，減少施工對地層的擾動。

6 結語

合肥市軌道交通7號線紫廬站下穿既有線車站結構的設計、施工，在合肥市尚屬首例。經過多方面的對比論證，并對施工過程進行三維有限元模擬分析，暗挖段結構形式采用平頂直墻，施工工法采用淺埋暗挖CRD中洞法工藝密貼下穿既有車站，能夠有效控制既有車站和地表的沉降變形，能夠保證既有線的安全運營和新建車站結構自身的安全。為日后同類工程的方案設計和施工提供了參考。