地鐵區間隧道暗挖下穿既有車站結構設計研究

楊勵

中國鐵路設計集團有限公司 天津 300308

1 引言

近年來隨著城市軌道交通線網規劃的日益完善和加密，各種形式的換乘車站及大型交通樞紐的建設越來越多，在線路節點處不可避免的與既有地鐵車站或區間形成上跨、下穿、側穿等穿越工程，在維持既有地鐵結構安全運營的前提下，新建穿越結構如何有效實施是此類設計的關鍵。本文以深圳黃木崗交通樞紐軌道交通24號線區間下穿既有地鐵7號線黃木崗站工程為依托，對下穿方案進行了詳細比選，最終確定采用暗挖法進行下穿段隧道開挖及既有圍護樁破除，新建隧道拱頂及周圍土體加固則采用了超前支護（管棚、小導管）注漿及全斷面深孔注漿相結合的方法，實現了對既有地鐵結構變形的有效控制，此專項設計與施工方案可供類似的穿越工程進行參考。

2 工程概況及水文地質條件

2.1 工程概況

深圳黃木崗交通樞紐軌道交通部分位于筍崗西路和華富路-泥崗西路交叉口，14號線沿華富路-泥崗西路南北向與既有7號線黃木崗站平行布置，24號線沿筍崗西路東西向布置，三線呈類“干”字型換乘[1]。周邊建筑物有深圳市體育中心、市二醫院、實驗中學等。新建地鐵14號線車站為地下三層疊側車站，與既有7號線黃木崗站（地下三層疊側式車站）同臺換乘，車站長262.2m，寬45~75m，頂板覆土1.7~5.8m；地鐵24號線為規劃線路，車站土建與樞紐同期施作后預留，為地下四層島式車站，與7、14號線形成節點換乘，全長235.2m，寬31~60m，頂板覆土約2m。樞紐主體均采用蓋挖逆作法施工，軌道交通區域整體未設置變形縫。

規劃24號線區間沿筍崗西路東西向敷設，遠期埋深約32m，線路中心線間距23.2m，下穿既有7號線段左線長度53.4m，右線長度48.4m，與既有7號線車站底板凈距約2.78m，需破除既有23根沖孔灌注樁（直徑1.5m，重疊6.2m）及2口降水井（直徑0.4m砂眼管填充C30，重疊3.9m），平面位置如圖1。由于遠期24號線盾構區間施工時，車站上方已施作樞紐地下結構、道路、永久橋等，地面不具備盾構始發到達、盾構機吊入吊出條件，故車站預留盾構過站條件。

圖1 24號線區間下穿既有7號線平面位置圖

2.2 工法選擇

區間下穿方案對比詳見表1。

表1 區間下穿方案對比

參考深圳已實施的下穿工程案例，初支按盾構管片外輪廓+300mm考慮，采用內徑6.8m、外徑7.5m的圓形斷面，如圖2。初支采用錨噴的結構型式，符合“新奧法”設計原理，暗挖隧道終點設置200mm厚堵頭墻，施工時結合分界處實際地質情況確定是否對掌子面外進行注漿加固。

圖2 暗挖區間斷面圖

2.3 工程地質

區間穿越地層主要為土狀強風化花崗巖（V級圍巖），局部為中風化花崗巖及微風化花崗巖（Ⅲ級圍巖），地下水位埋深1.00～4.80m，縱斷面如圖3。

圖3 地質縱斷面圖

3 暗挖下穿既有車站關鍵技術

3.1 地下水處理及地層加固

受暗挖區間上方新建14號線主體結構影響，無法實施地面降水井，只能采取洞內全斷面深孔注漿的方式，將止水帷幕與地層加固相結合，加固后的土體無側限抗壓強度不小于1~1.2MPa,滲透系數小于10-6cm/s[2]，即可最大程度的減小地下潛水對隧道開挖的影響。加固范圍為暗挖區間斷面輪廓線外3m，每個循環注漿段的設計長度取9m，本注漿段施工完成后先開挖6m預留3m不開挖作為下一循環的止漿巖盤[3]。

3.2 超前支護及初支鋼架施工

本工程暗挖隧道下穿段在左、右線拱頂設置由大管棚+超前小導管組成的超前支護體系，詳見圖2。大管棚應在車站洞口環梁澆筑前打設，施工步序為：①管棚加工；②鉆孔與管棚安裝；③注漿。根據下穿段隧道斷面尺寸、地質及穿越障礙物情況，結合施工便利性，隧道初支采用型鋼鋼架，下穿既有7號線段采用工22a，其他段采用工18a，間距0.5m。

3.3 臺階法施工

采用二臺階預留核心土法施工，上臺階開挖的進尺一般取2～3m，避免進尺過長，機械開挖，施工過程中嚴格控制機械振動速率，禁止大范圍開挖巖體，施工步序如下：①施作超前支護，全斷面注漿加固，預留核心土環形開挖上臺階土體，掛鋼筋網、架設并安裝鋼架、打鎖腳錨管、系統錨桿及噴射混凝土；②開挖上一步預留的核心土，并結合地層設置臨時仰拱，上半斷面封閉；③開挖下臺階土體，掛鋼筋網及架設、安裝鋼架，噴射混凝土（封閉成環）；④拆除臨時仰拱，回填暗挖隧道。

針對下穿需破除的既有沖孔灌注樁，為防止掉樁，先鑿出兩榀鋼架的厚度，并立兩榀鋼架，再鑿除此樁剩余樁基混凝土。因區間與車站圍護樁斜交，斜交圍護樁范圍鋼架均按密排處理，快速封閉成環。

4 既有車站結構變形分析

4.1 有限元數值模擬

采用Midas GTS軟件建立三維有限元模型模擬隧道開挖施工步驟，結合計算效率及區間下穿影響范圍，建模區域包括既有7號線車站、樞紐核心區及24號線暗挖區間，模型長、寬均取350m，高度取60m，邊界四周法向約束，底部固定，如圖4。計算結果顯示，隧道開挖施工引起的既有7號線車站豎向沉降為3.6mm,軌道結構軌向變形為1.7mm/10m，兩軌橫向高差1.0mm，隧道拱頂豎向沉降為5.27mm。

圖4 有限元計算模型及計算云圖

4.2 施工監測

施工期間的監控量測是進行動態設計、信息化施工與管理、確保暗挖工程施工安全的必要輔助措施，應貫穿于暗挖施工全程。根據相關監測規范及深圳地鐵現行安保區管理規定，針對既有車站，監測項目必須包含：結構豎向位移和水平位移、變形縫差異沉降、軌道結構（道床）豎向位移、軌道幾何形位(軌距、軌向、高低、水平等)、結構裂縫[4]。監測斷面間距為5~10m，監測頻率根據施工進度動態調整。

根據最終的監測數據分析，下穿施工過程既有7號線黃木崗站箱體及軌道結構的各項變形監測值累計值均小于控制值，符合規范要求，且與數值模擬計算值接近，趨勢一致，可綜合判斷區間暗挖下穿的設計與施工方案合理，整體風險可控，監測數據統計詳見表2。

表2 施工監測數據統計

5 結語

根據現行《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[5]、各地方標準或地鐵安保區管理辦法，下穿工程的外部作業等級及環境風險工程等級一般為特級，既有車站或區間結構的變形控制值較小。由于新建結構的周邊環境地形條件一般較為復雜，下穿段埋深較大，施工局限性較大，通過超前支護、地層注漿加固、臺階法施工相結合的設計方案，較好的滿足了隧道自身變形、既有結構的沉降變形控制要求，保證既有車站安全運營的同時，成功實現了新建軌道交通結構的下穿施工。

通過實際工程驗證，穿越土層的暗挖隧道超前支護采用管棚與超前小導管相結合的設計方案實施效果較好，注漿加固后的隧道上部土體穩定性較好。在整體剛度較大的管棚保護下進行土體開挖，對既有結構擾動較小，結合短臺階預留核心土法進行下穿既有地鐵結構施工，技術可靠。在實際運用中，尚應根據監測情況及時對支護參數進行調整，信息化設計與施工，從而更加精準的實現對穿越既有地鐵結構的變形分析與控制。