暗挖車站及區間鄰近地鐵高架區間關鍵技術研究

陸海鋒

(中鐵上海工程局集團有限公司,上海 201906)

隨著我國城市軌道交通建設的飛速發展,城市興建地鐵不可避免地鄰近各類民建、市政、鐵路結構,其中市政橋梁鄰近地鐵在工程建設中非常普遍[1-2]。地鐵隧道常用的施工方法有明挖法、盾構法和礦山法等,其中礦山法工序轉換多,施工風險高,對鄰近的建(構)筑物的影響大,尤其是暗挖隧道鄰近既有地鐵結構尤其是地鐵高架結構時,既有地鐵變形控制要求高,因此需要對暗挖施工采取嚴格的控制措施,保護既有地鐵安全。新建地鐵隧道鄰近既有地鐵高架區間的研究主要有:李志佳等[3]對暗挖大斷面隧道穿越既有地鐵高架區間的風險控制進行了研究,推薦選取加固既有結構、深孔注漿止水等措施來確保既有結構安全;杜佳鵬等[4]對地鐵站后折返線暗挖大斷面隧道下穿既有地鐵高架橋影響進行了分析,認為超前加固和洞內支撐相結合的措施對于保證既有高架結構安全有利;唐汐[5]對比分析了不加固、僅洞外加固、洞外加固+橋樁底部加固3種工況下地鐵高架區間結構豎向位移、水平位移、差異沉降變化特征,并比較了實測和計算結果,研究認為穿越施工顯著影響范圍約為4倍暗挖地鐵隧道跨度、后施工隧道兩側承臺差異沉降大于先施工隧道兩側承臺差異沉降。此外,喬國剛[6]、郄向光[7]等對大斷面暗挖隧道近距離穿越運營地鐵高架橋樁基施工技術進行了研究,認為在注漿加固和合理工序轉化的前提下既有高架橋結構安全可以得到保證。

綜上所述,目前對暗挖地鐵隧道下穿既有地鐵高架區間的研究較少,因此,本次開展暗挖地鐵車站及區間鄰近地鐵高架區間相關工作,對于豐富此類問題的研究具有重要意義[8]。

1 工程概況

1.1 大鐘寺站及大薊區間概況

北京地鐵12號線大鐘寺站為地下雙層島式車站,車站總長282 m,標準段寬度23.7 m,車站頂板覆土15 m～18 m。車站采用暗挖PBA工法,施工風道、出入口通道及換乘通道采用CRD和雙側壁導坑法施工。車站設置3個出入口、3個安全出入口、4組風亭、3個無障礙電梯、1個換乘通道和1個新建換乘廳。車站為雙柱三跨拱形斷面,采用PBA工法施工,具體斷面布置如圖1所示。

大鐘寺站—薊門橋站區間左線、右線長度均為835.10 m(其中左線含長鏈0.549 m、短鏈0.684 m),線間距15 m～17.2 m。區間線路縱斷出大鐘寺站后以2‰的縱坡向下然后3‰向上,最后以5.645‰縱坡向下進入薊門橋站,區間埋深25.4 m～32.6 m。區間為單線單洞斷面形式,標準段采用臺階法施工,人防段采用CRD法施工。具體斷面布置如圖2所示。區間施工采用臺階法,臺階法將隧道分為兩部分開挖,開挖順序為:在超前小導管預注漿加固地層施工完畢后,先開挖上臺階,開挖進尺為一榀格柵間距,及時進行初期支護,上臺階進尺5 m后,然后進行下臺階的初期支護開挖。上下臺階錯開長度保持在3 m～5 m。

1.2 既有地鐵13號線高架區間概況

北京地鐵13號線高架橋為一次性澆筑的7跨連續混凝土板梁,南端與大鐘寺車站相接,北端與區間路基相接。橋體由基礎樁及承臺、橋臺、橋墩、梁板及橋面組成,橋寬10.6 m,橋墩為倒梯型板式墩,最大跨度2號—3號墩(18.130 m),最小跨度6號—7號墩(10.030 m)。承臺高度為2.0 m,墩臺基樁樁長26 m～29.5 m,采用旋挖鉆孔灌注樁,1號墩臺基樁樁徑1.5 m,其余墩臺基樁樁徑1.0 m。12號線大薊區間右線在2號、3號墩間下穿,左線在3號、4號墩間下穿。

1.3 12號線與13號線位置關系

大鐘寺車站大里程端頭臨近地鐵13號線,與地鐵13號線區間高架橋的最小凈距為17.2 m。大薊區間左右線橫穿既有13號線高架下部結構基礎,處于2號、3號、4號樁基中間,區間左線線路中心距2號樁基距離為6 570 mm,距3號樁基中心距離為8 483 mm,區間右線線路中心距3號樁基距離為5 697 mm,距4號樁基中心距離為5 952 mm,見圖3。

2 工程風險分析

北京地鐵12號線大鐘寺站臨近地鐵13號線、大鐘寺站—薊門橋站區間線路下穿既有地鐵13號線。施工會影響既有地鐵13號線的下部結構;施工過程中如果不注意控制,會導致既有線路的下部結構產生不均勻沉降,對橋梁結構可能造成的損傷有以下幾個方面:

1)橋梁上部結構為連續現澆梁,基礎縱向不均勻沉降會破壞橋面板及橋梁伸縮裝置,影響橋梁的使用功能,引發行車不平順、橋頭跳車等現象;同時還會改變橋面縱坡,對行車舒適度及橋面排水造成不利影響。基礎橫向不均勻變形過大則會對橋梁橫向聯系產生危害,影響主梁間的共同受力。

2)基礎不均勻沉降會使主梁梁體出現偏移或擾度過大等情況,使主梁的內力和變形都發生改變,并加速梁體混凝土裂縫產生的速度,直接影響到橋梁主體的安全穩定性,情況嚴重的還會導致橋梁整體垮塌。

3)基礎不均勻沉降會使上部結構和下部結構連接支座處的梁底產生過大的拉力或壓力,使梁底支座和主梁都發生破壞。

4)橋臺傾斜變位,支座脫空,梁體變位會引起橋面鋪裝變形,伸縮縫錯起,欄桿位移,對行車帶來影響。

5)對橋下道路影響。路面沉降過大將影響橋下行車的舒適性及路面排水效果。

3 關鍵施工技術

車站上層導洞、下層導洞、初支扣拱、活塞風井、活塞風道、區間等施工對13號線高架區間存在影響,各項施工除針對性保護措施外,一般的保護措施包括對既有線高架橋進行現狀調查、檢測、評估,確定合理的變形控制指標;加強暗挖關鍵工序控制,嚴格控制地層沉降;施工過程中加強監測,做到信息化施工;加強初支背后注漿和二襯背后注漿,根據監測結果進行多次補注漿,嚴格控制注漿壓力和注漿量,保證注漿效果。

3.1 導洞施工

車站上層小導洞和端部橫向導洞均采用臺階法施工,上層小導洞開挖尺寸為4.5 m×5 m,端部橫向導洞開挖尺寸為3.7 m×3 m,初支厚度均為0.25 m。車站下層小導洞和端部橫向導洞均采用臺階法施工,下層小導洞開挖尺寸分別為4.5 m×5 m和4.5 m×5.25 m,端部橫向導洞開挖尺寸為3.7 m×1.85 m,初支厚度均為0.25 m。

上層、下層小導洞端墻封堵與既有線高架橋樁凈距為17.682 m～22.7 m。橫向導洞與既有線高架橋樁凈距為17.682 m～20.581 m。車站小導洞采取加固措施,加固布置如圖4所示。采用深孔注漿超前加固上層小導洞拱頂及拱頂掌子面以及導洞封端、橫向導洞拱頂側壁;采用深孔注漿超前加固下層小導洞拱頂,導洞封端,橫向導洞拱頂。縱向加固范圍10 m,注漿范圍小導洞外1.5 m、內0.5 m。

超前支護采用DN32×2.75,L=2 m小導管(隔榀設置)對小導洞拱部地層超前注漿預加固(下層導洞卵石層采用DN25×2.75,L=2 m,每榀打設),小導管環向間距300 mm,縱向每榀格柵打設,外插角度10°～15°設置。深孔注漿處取消超前小導管支護。小導洞施工順序如圖5所示,圖5中1代表超前小導管加固并預注漿;2代表拱部環形開挖預留核心土;3代表初期支護:初噴5 cm混凝土,架設格柵鋼架,拱腳處打設2根鎖腳錨桿,掛網,噴混凝土;4代表核心土開挖;5代表下部土體開挖;6代表初期支護:接邊墻、仰拱格柵鋼架并掛網、噴混凝土封閉成環。

3.2 初支扣拱施工

車站邊樁與橋樁最小凈距18.5 m(與端墻19.55 m),初支扣拱前采取加固措施,加固布置如圖6所示。具體措施包括:1)采用深孔注漿超前加固上層大拱拱頂及封端墻;扣拱的深孔注漿縱向加固范圍10 m。注漿范圍大拱初支外2 m,內0.5 m。2)端墻圍護樁加密1.35 m,控制結構變形。

大鐘寺站主體為兩層三跨三聯拱結構,扣拱分中跨扣拱和邊跨扣拱,采用臺階法開挖保留核心土(見圖7),超前支護采取深孔注漿加固或DN32×2.75 mm超前小導管加固地層,再進行初支扣拱馬頭門開挖,在馬頭門連立三榀初支扣拱格柵鋼架,被截斷橫通道格柵鋼架與初支扣拱格柵鋼架應進行有效焊接。邊導扣拱跨度3.3 m,中跨扣拱跨度為2.5 m。先中跨施工,再兩側邊跨同步施工,相鄰導洞內初支扣拱施工距離錯開不小于15 m。

3.3 活塞風井、風道施工

2號活塞風井尺寸為10.3 m×5.8 m×30.14 m,開挖深度約38 m～39 m,采用倒掛井壁法施工,支護采用鋼筋網+注漿錨管+格柵鋼架(間距400 mm～750 mm)+噴射混凝土。2號活塞風道開挖尺寸8.7 m×9.8 m,采用CRD工法施工,開挖順序如圖8(a)所示,1號洞室超前2號洞室5 m,2號洞室超前3號洞室10 m,3號洞室超前4號洞室5 m,4號洞室超前5號洞室10 m,5號洞室超前6號洞室5 m。2號活塞風井、風道施工時打設小導管注漿加固。此外,2號活塞風道采用深孔注漿超前加固風道拱頂、側壁及拱頂掌子面(見圖8(b)),加固范圍為初支外2 m內0.5 m。

3.4 區間隧道施工

暗挖區間下穿13號線的保護措施如圖9所示。1)對隧道輪廓線外2 m內0.5 m以及掌子面全斷面范圍內進行洞內深孔注漿,注漿范圍為橋樁前后各10 m,共22 m。注漿加固土體時應結合監測反饋,及時調整注漿壓力。2)采用臺階法+臨時仰拱施工,減少開挖面高度,嚴格控制地層沉降,臨時仰拱里程同深孔注漿里程。3)區間施工至距離大鐘寺站端頭5 m時,應停止施工,并及時封閉掌子面,掌子面封閉同永久封底或封堵。待大鐘寺站初支扣拱完成后,貫通隧道左右線。4)施工中采取降水措施,保證無水施工。

區間隧道下穿13號線時超前支護措施采用DN25×2.75,L=2 m小導管(每榀設置)對小導洞拱部地層超前注漿預加固,小導管環向間距300 mm,縱向每榀格柵打設,外插角度10°～15°設置。如圖10所示,超前小導管預注漿加固地層施工完畢后,先開挖上臺階,開挖進尺為一榀格柵間距,及時進行初期支護+臨時仰拱,上臺階開挖至10 m～15 m后進行下臺階的初期支護開挖。上下臺階錯開長度保持在10 m～15 m,開挖后及時進行封閉。

4 現場監測結果

為保證13號線高架區間安全,在大鐘寺站鄰近和大薊區間下穿施工時,對暗挖隧道拱頂沉降和凈空收斂以及13號線高架結構道床沉降、軌道沉降、軌道幾何行位軌距、軌道幾何行位水平、軌道水平位移、靜力水準、橋樁沉降進行監測,現場監測結果如圖11,圖12所示,各類監測結果最大值列于表1中。

表1 現場監測結果

地鐵隧道的位移控制值均為10 mm,13號線高架區間和豎向位移和水平位移控制值分別為3 mm和2 mm,從位移監測結果來看,各項位移指標均小于控制值,結構處于安全狀態。

5 結語

依托北京地鐵12號線大鐘寺站及大鐘寺站—薊門橋站區間隧道下穿13號線高架區間,闡述車站鄰近和區間下穿施工時13號線高架區間綜合保護措施,對復雜環境條件下導洞施工、初支扣拱、深孔注漿、超前支護等關鍵技術環節進行分析,明確其設計施工中的技術要點,并對施工監測數據進行分析,得出結論如下:

1)暗挖車站及區間施工影響較大,因此需要采取綜合控制措施,同時加強暗挖施工自身控制和監測,確保既有高架結構及地鐵運營安全。

2)從現場監測結果來看,暗挖地鐵隧道下穿施工是既有地鐵高架結構施工控制的關鍵階段,同時要注意先施工、后施工隧道的影響差異引起的高架結構不均勻沉降。

新建暗挖車站及區間隧道鄰近既有地鐵高架結構工程案例較少,經驗不足,目前研究僅依靠零星工程案例,并未形成系統性的研究手段。建議今后應考慮地質條件、位置關系、施工步序等因素優化穿越保護方案及措施,達到降低造價、控制安全的目的。