成都地鐵19號線天府商務區站矩形斷面礦山法零距離下穿既有車站施工方案

楊鳳梅 葉至盛

(1.中國電建華東勘測設計研究院有限公司，311122，杭州; 2.中電建鐵路建設投資集團有限公司，100044，北京∥第一作者，高級工程師)

近年來，隨著地鐵網絡化建設的快速發展，穿越既有地鐵運營車站的新地鐵車站施工逐步成為地鐵建設的常態。由于線路和規劃等發生變化，換乘站中的先建車站往往無法給后建車站提供理想的預留條件；而后建車站的施工也會不同程度地對既有運營車站結構造成影響，甚至可能危及運營安全。新建線路近距離下穿既有線或車站，既要考慮既有線或車站的沉降變形，又要考慮線路運行安全，故施工工序復雜，工藝要求高[1-5]。

本文基于新建的成都地鐵19號線天府商務區站采用矩形斷面礦山法零距離下穿既有地鐵運營車站項目，針對施工難點重點，進行具體施工方案的比選，并解讀了施工中的控制措施，以期為后續類似工程建設提供參考。

1 項目概況

1.1 工程概況

成都地鐵6號線(以下簡為“6號線”)天府商務區站和成都地鐵19號線(以下簡為“19號線”)天府商務區站為十字形換乘。其總平面示意圖如圖1所示。其中：6號線車站已于2020年底運營，其主體結構為地下3層雙柱3跨框架結構，長235.2 m、寬23.3 m、深25.8 m；新建的19號線車站為地下4層雙柱3跨框架結構，長220.0 m、寬28.6 m、深35.7 m，頂板覆土厚3～4 m。19號線車站大部分采用明挖法施工，其下穿6號線車站的部分采用礦山法暗挖施工。

圖1 天府商務區站總平面示意圖

1.2 礦山法施工部分與運營車站關系

礦山法施工部分沿19號線線路方向長23.3 m，寬33.6 m。該部分車站為地下4層矩形框架結構。如圖2所示,19號線暗挖段位于負4層，其余三層與6號線相接。負4層部分結構高10.4 m，埋深為24.8 m。開挖范圍需破除6號線底板下方12根φ1.2 m、長10 m的抗拔樁，再新建19號線車站永久結構(包括板梁柱、側墻及抗拔樁)，其中新建車站的頂板密貼既有運營車站的底板。

圖2 下穿地段沿19號線方向縱剖面圖

1.3 地質條件

礦山法施工段位于中風化泥巖地層，其圍巖等級為Ⅴ級，地層巖性較好。不良地質主要為低瓦斯有害氣體及斷層，特殊巖土為膨脹巖、風化巖及石膏。勘察期間車站范圍地下水位埋深約為2.0～14.7 m，平均滲透系數為0.44 m/d，屬弱-中等透水層。

1.4 施工重點與難點

1.4.1 新建車站與預留的下穿條件不匹配

6號線在建設期已在地下二層預留19號線軌行區穿越條件。但后因城市核心商務區規劃及地塊開發等條件發生變化，19號線車站從地下2層調整為地下4層，無法匹配6號線預留的下穿實施條件，只能采用礦山法下穿既有運營車站的底板。而類似案例少，難以借鑒相關施工經驗。

1.4.2 零距離下穿施工中的既有車站沉降控制

由于拱形受力效果較好，礦山法施工斷面通常設計為馬蹄形斷面。為減少新建車站埋深，節約工程投資，本工程設計將新建車站頂板密貼運營車站底板，二者間無空隙。因此，只能采用矩形斷面礦山法來施工。

本項目為超規模危大工程，為確保既有線的安全運營，既有線沉降控制指標僅為10 mm，差異沉降控制指標為4 mm。無論是施工過程中的控制不當，還是在開挖施工階段有土體自穩性不好、開挖支護不及時或初期支護收斂變形較大等問題，或是在結構施工階段新舊框架體系不密貼等，都會使運營車站結構沉降超過控制值，進而影響運營安全。

1.4.3 主體結構防水質量

暗挖段主體結構須分塊施工，逐步形成完整主體結構，故施工分縫較多。考慮到本站埋深大、地下水位高的特點，則主體結構施工縫防水質量是本工程質量控制的重點。

1.4.4 技術難點

下穿段結構頂板施工空間有限，難以控制澆筑振搗質量。故應于場外設試驗段，并在關模前提前完成澆筑管預埋，確定詳細澆筑方案，以確保頂板密實。

本項目中，首先，對既有線車站底板底部進行鑿毛并清理；然后，通過植筋與新建的建筑結構頂板鋼筋連接，再澆筑微膨脹混凝土成為整體，以保證受力連續。此外在澆筑過程中應加強振搗、保證密實。

新增抗拔樁施工原設計采用人工挖孔樁，施工進度慢、風險高、對工期不利。后來引進了改良的低矮旋挖鉆進行機械施工，大大提高成樁效率。

2 施工方案比選

19號線天府商務區站礦山法施工部分(以下簡為“礦山法部分”)的實施可采用導洞法施工方案或分段法施工方案。

2.1 導洞法施工方案

如圖3所示，導洞法開挖共設置4個導洞。其施工過程為：首先，按①→②→③→④順序交錯開挖；并在導洞開挖時于抗拔樁底部新建條形基礎，形成抗拔樁+條形基礎的臨時支撐體系；待導洞全部貫通后，按⑤→⑥→⑦→⑧順序擴挖剩余土體；每個擴挖區貫通后，緊跟施工該區域19號線車站的結構和臨時鋼立柱，并破除6號線的抗拔樁+條基臨時支撐；待永久結構全部形成后再拆除鋼立柱，實現由臨時支撐到永久框架結構的受力體系轉換。導洞法施工方案的支撐體系如圖4所示。

圖3 導洞法開挖示意圖

圖4 導洞法施工支撐體系示意圖

該方案主要優點為：每道施工工序均有明確的豎向支撐體系作用，運營車站的變形及沉降相對易控制。

2.2 分段法施工方案

如圖5所示，分段法將斷面分為7個開挖區域，每個區域采用上下臺階法開挖，同時破除6號線抗拔樁。首先，開挖①→②→③→④區域土體，并隨開挖進程進行支護；每開挖一段區域，隨即形成永久結構，再進行下一段區域開挖。然后，開挖⑤→⑥→⑦區域土體，依次施做永久結構。施工期間主要利用未開挖土體和新筑主體結構形成支撐體系(如圖6所示)。

圖5 分段法開挖示意圖

圖6 分段法施工的支撐體系示意圖

2.3 方案比選

本文從施工工序等不同方面對2個施工方案進行對比，如表1所示。

表1 方案對比

由表1可見，分段法施工方案優勢明顯，故本工程采用分段法施工。

3 既有結構受力及變形的仿真計算

本文采用MIDAS-GTS NX有限元軟件，建立地層-車站結構仿真模型，對開挖施工階段既有車站的結構變形及內力影響進行計算，并對正常使用階段既有車站的承載力進行計算復核。

3.1 結構概況及主要支護參數

礦山法施工段開挖斷面有5.4 m(寬)×10.4 m(高)、4.8 m(寬)×10.4m(高)兩種。隧道按區域采用上下臺階法分部施工，每部循環進尺按0.5 m控制。

開挖施工過程中設置的噴錨支護，在后期施作結構時需部分拆除。噴錨支護設置Ⅰ28a工字鋼架；鋼架間距為0.5 m，且在鋼架兩側打設鎖腳錨管；噴射混凝土采用0.35 m厚的C25混凝土。19號線車站結構尺寸為23.3 m(長)×33.6 m(寬)×10.4 m(高)，采用C35、P12防水混凝土。

3.2 開挖施工階段

本文采用MIDAS-GTS NX有限元軟件，建立地層-車站結構模型如圖7所示，對開挖施工階段既有車站的結構變形及內力進行計算分析。

圖7 開挖施工階段的地層-車站結構有限元計算模型

3.2.1 模型選擇及本構關系

根據分段法施工步序，計算時假定圍巖為連續介質，采用四面體單元模擬；車站結構采用梁單元模擬。圍巖在開挖過程中考慮其塑性變形，采用修正摩爾庫倫彈塑性準則；而車站結構、圍護結構僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構關系[6-7]。

3.2.2 計算結果

從圖8所示的計算結果可看出，暗挖施工過程中引起車站結構產生的豎向最大位移出現在圖5所示中開挖步驟5的6號線底板位置，為4.6 mm，小于規范要求的10 mm，滿足變形控制要求。

圖8 車站豎向位移計算云圖

3.3 正常使用階段

暗挖節點處荷載-車站結構三維模型如圖9所示。對暗挖節點處進行計算，計算結果見圖10。在暗挖節點處，既有結構頂板厚0.9 m、中板厚0.4 m、底板厚1.1 m。

圖9 正常使用階段的荷載-車站結構三維有限元模型

a)X向基本組合彎矩Mxx

根據內力計算結果，在正常使用階段6號線底板均可滿足承載力要求。進一步配筋驗算可知，裂縫控制要求同樣滿足。

4 主要保護性施工控制措施

4.1 運營車站變形控制措施

主要應對措施：①運營車站采用自動化監測技術，暗挖段施工根據自動化監測成果信息化施工；②暗挖段嚴格按設計圖紙的步序施工，分部、分層、分段開挖，及時跟進型鋼拱架及噴錨支護，施工期間加強施工監測；③施工前制定應急預案，包括加強超前支護、初期支護、增設臨時支撐等措施，有效控制運營車站變形量，確保結構安全;④暗挖施工期間，運營車站上方不得超載;⑤與運營公司建立溝通聯動機制。

4.2 對多條施工縫的結構防水施工措施

主要應對措施：①施工縫位置設置止水鋼板，并控制止水鋼板安裝質量；②加強防水措施，在原設計基礎上施工縫加設橡膠止水條、預埋注漿管；③加強施工縫處理，每倉混凝土澆筑后及時有效地進行鑿毛處理，新澆筑混凝土前用高強度水泥漿預處理；④若出現滲漏水情況時，采取專項措施及時堵漏，制定專項方案,使用專業隊伍,采用專項材料,并經專業驗收。

5 監測及分析

采用徠卡TM30測量機器人(測角精度為0.5″，測邊精度為0.6 mm+10-6測距)自動監測。監測點采用錨固方式將小棱鏡固定在道床，以及結構邊墻的中部與頂部。TM30測量機器人以3～6次/d的頻率自動采集現場三維數據，并將數據實時傳輸至控制中心。經過粗差剔除及數據平差，即可計算出監測點的水平位移和豎向位移。

由圖11—圖13可見：礦山法施工至主體框架結構澆筑完成期間，既有運營車站結構頂板水平、豎向位移無明顯變形趨勢，變形均小于-1 mm；既有運營車站道床的水平位移與豎向位移均較小，上下行隧道變化趨勢相近，位移均小于-1 mm，結構施工完成后變形趨勢收斂；道床橫向、縱向無明顯不均勻差異沉降。

a)水平位移

a)水平位移

a)橫向差異位移

既有運營車站各測點監測指標的遠程自動監測成果如表2所示。將各項目監測結果與其目標控制值對比可見：運營車站的結構及軌行區豎向位移較小，控制效果良好；所有測點的監測項目均未超控制值。

表2 既有運營車站各監測項目的監測結果

6 結語

新建的19號線天府商務區站零距離下穿既有地鐵運營車站，采用礦山法施工，具有較大施工難度。

經比較，分段法施工方案支撐體系轉換簡單、工序少、工期短、施工縫少且防水效果好，更適用于本工程。經仿真計算，分段法施工既能滿足既有車站結構變形、承載力及裂縫控制要求，又能保證運營車站安全。本文還總結了對既有運營車站的主要保護性施工控制措施,并采用先進的儀器和技術對既有運營車站變形進行監測。監測結果表明，既有運營車站變形控制效果良好，監測項目均未超出控制值，上部運營車站處于安全可控狀態。