新建地鐵車站零距離下穿既有地鐵車站擾動變形規(guī)律控制

黃章君，韓現(xiàn)民，譚建兵，王 康，李文江

(1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模及環(huán)境特點(diǎn)

鄭州地鐵4號線會展中心站為地下三層14 m雙柱島式結(jié)構(gòu)，垂直原有車站方向布置，車站總長167.02 m。1號線會展中心站為地下兩層站，施工時已預(yù)留與4號線換乘條件，既有1號線負(fù)二層底板為現(xiàn)在4號線負(fù)三層中板，1、4號線之間在地下三層實(shí)現(xiàn)換乘，長度為23.7 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

工程施工涉及地層主要有人工填土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等土層。本場地地下水位埋深約為9.2 m，暗挖段主要位于埋深20.5～32.9 m的粉砂層，為微承壓水中-強(qiáng)透水層，承壓水頭約5 m。

1.3 下穿施工設(shè)計(jì)方案

1)1號線車站設(shè)計(jì)和施工時考慮到后期換乘的需要，在換乘節(jié)點(diǎn)位置底板下設(shè)置了兩排800 mm厚地下連續(xù)墻，底板預(yù)留了打開條件，框架柱下設(shè)置了鋼管柱，鋼管柱下預(yù)留直徑2 000 mm支撐樁，插入基底深度25 m。

2)首先對換乘節(jié)點(diǎn)土體進(jìn)行水泥-水玻璃雙液漿注漿加固，下穿1號線暗挖段臨時支護(hù)采用工20a型鋼鋼架，鋼架間距0.5 m，鋼架與既有1號線地連墻采用植筋連接，掛設(shè)φ8單層鋼筋網(wǎng)，噴射30 cm厚C25混凝土，徑向打設(shè)φ22 mm砂漿錨桿，間距1 m×0.5 m梅花型布設(shè)，拱腰、拱腳均設(shè)2根φ42 mm鎖腳錨管，長度為3.0 m。采用上下臺階法開挖，臺階距離按5 m控制。

3)暗挖施工采用分部導(dǎo)洞作業(yè)，具體施工步序如圖1：(a)上下臺階開挖左側(cè)部分，做中隔墻及噴混；(b)施工左邊底板及側(cè)墻結(jié)構(gòu)；(c)上下臺階開挖右側(cè)部分，施作中隔墻及噴混；(d)施工右側(cè)底板及側(cè)墻；(e)上下臺階分部開挖中部，施工中部底板；(f)拆除中隔墻，施工結(jié)束。

圖1 下穿段施工步驟

2 下穿施工數(shù)值模擬及變形分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

為預(yù)測下穿施工過程中既有結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和量值，尋找施工變形的關(guān)鍵控制工況，為后期施工方案優(yōu)化和技術(shù)比選提供理論依據(jù)，研究中采用有限差分程序?qū)ο麓┦┕み^程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。根據(jù)工程實(shí)際情況，建立模型，共剖分591 039個單元。地面設(shè)置為自由端，其他面采用法向約束。根據(jù)地勘資料和結(jié)構(gòu)材料屬性，確定地層和結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)。

2.2 施工過程數(shù)值模擬

1)下穿既有線工程主要包括端頭井基坑施工、暗挖下穿與4號線主體結(jié)構(gòu)施工。

2)下穿段采用由南向北的施工。

3)暗挖段施工模擬時，開挖方法為六導(dǎo)洞上下臺階法，并施作噴混、支撐，導(dǎo)洞開挖完成后施作換乘站混凝土底板及側(cè)墻。

2.3 下穿施工對既有車站軌道道床變形影響

1)既有線道床隆沉變形。新建車站施工對既有車站道床軌道豎向位移的影響，可通過監(jiān)測既有車站左(北側(cè))、右(南側(cè))兩條線路上4條軌道位置處節(jié)點(diǎn)的豎向位移，得出原有線路在作業(yè)過程中軌道變化情況。

2)既有線路道床水平變形。暗挖下穿施工時，道床水平變形出現(xiàn)回彈減小現(xiàn)象；4號線主體結(jié)構(gòu)施工后，受其自重和結(jié)構(gòu)特征影響，道床產(chǎn)生指向端頭井方向變形，變形值增大，但量值微小，最大水平值為0.38 mm。

3 暗挖下穿既有車站變形控制基準(zhǔn)

3.1 基于既有線行車安全的結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全技術(shù)保護(hù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)中對外部工程施工引起的既有軌道及地鐵隧道結(jié)構(gòu)允許變形做出如表1所示規(guī)定。

表1 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值 單位：mm

3.2 基于既有車站結(jié)構(gòu)安全的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

不同施工階段極限狀態(tài)下所對應(yīng)的最大豎向變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 不同施工階段極限狀態(tài)下車站結(jié)構(gòu)道床豎向變形 單位：mm

從計(jì)算結(jié)果可以看出，施工過程中，既有車站結(jié)構(gòu)底板隆起控制最不利階段為端頭井基坑開挖階段，允許隆起限值為9.8 mm；沉降控制最不利階段為暗挖下穿施工完成階段，允許沉降限值為20.9 mm。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，并假定既有車站軌道變形與道床結(jié)構(gòu)一致，由數(shù)值計(jì)算得到各施工階段極限狀態(tài)下對應(yīng)的軌道差異變形，如表3所示。

表3 極限狀態(tài)下既有線路軌道豎向差異變形 單位：mm

3)下穿施工位移管理標(biāo)準(zhǔn)。將端頭井基坑開挖施工和下穿施工作為關(guān)鍵施工控制工況，并制定“雙控型”變形控制標(biāo)準(zhǔn)。為安全起見，施工過程中可將道床最大允許沉降15 mm、最大隆起5 mm和軌道最大允許軌向高差1.5 mm、最大允許橫向高差2.0 mm作為施工控制限值，采用極限位移值的70%作為施工過程相應(yīng)的預(yù)警值，實(shí)現(xiàn)施工過程位移(變形)分級管理。

4 下穿施工變形現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 道床變形測點(diǎn)布置

為保證施工安全，選擇下穿段上部1號線結(jié)構(gòu)DK25+093～DK25+208之間115 m范圍，對施工期間道床沉降進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，共布設(shè)了21個監(jiān)測斷面、42個測點(diǎn)。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果現(xiàn)場印證

選擇暗挖段施工結(jié)束后道床沉降變形為對比指標(biāo)，左右線道床沉降變形規(guī)律基本一致，數(shù)值相差較小，誤差主要是由于數(shù)值計(jì)算無法完全模擬復(fù)雜的施工現(xiàn)場情況引起的；印證了以數(shù)值計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)建立的施工位移管理基準(zhǔn)是實(shí)際可行的。

4.3 道床變形模擬與實(shí)測結(jié)果綜合分析

選取監(jiān)測里程范圍內(nèi)暗挖段上方DK25+143、DK25+153、DK25+163三個斷面上對應(yīng)左線和右線道床上監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制了各個施工階段完成后測點(diǎn)處既有線路豎向變形和水平位移的曲線，如圖2、圖3所示(為方便描述，圖中橫坐標(biāo)施工階段中1為換乘節(jié)點(diǎn)注漿、2為左側(cè)導(dǎo)洞開挖及支護(hù)、3為右側(cè)導(dǎo)洞開挖及支護(hù)、4為中間洞門剩余地連墻破除、5為中間底板混凝土澆筑)。

圖2 左線道床豎向變形

圖3 右線道床豎向變形

綜合數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)可得：①隨著換乘段暗挖施工的開展，左線道床主要以沉降變形為主，右線道床以隆起變形為主，最大沉降量為1.23 mm、最大隆起量為1.78 mm，豎向變形滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。②左線道床水平位移施工階段3達(dá)到最大值，為0.6 mm；右側(cè)道床水平位移于施工階段4達(dá)到最大值，為1.12 mm，水平向未達(dá)到預(yù)警指標(biāo)。綜上，下穿施工不會對既有線路的運(yùn)營和結(jié)構(gòu)安全造成影響。

5 結(jié)語

下穿施工中不同階段既有車站主體結(jié)構(gòu)(底板道床)變形的數(shù)值模擬表明，其中最大隆起值為1.5 mm，出現(xiàn)在基坑開挖完畢階段，最大沉降值為2.2 mm，出現(xiàn)在暗挖下穿施工結(jié)束后。文章提出的既有車站結(jié)構(gòu)雙控型變形控制基準(zhǔn)確定方法，為類似工程問題提供了新的解決思路，可供相關(guān)工程借鑒。