单拱暗挖车站上穿既有地铁线施工技术

杜建华，杜华林

(1.石家庄铁路职业技术学院，石家庄 050041;2.中铁隧道集团 北京中铁隧建筑有限公司，北京 100022)

1 工程概况

地铁车站暗挖段位于十字路口，横穿街道，从既有地铁1#线某区间隧道上部穿过，与既有线车站呈丁字形布置。暗挖段采用单层一拱双柱复合衬砌结构形式，长度为63.8 m，开挖宽为23.660 m，开挖高9.835 m，覆土厚度5.5 m(见图1)。工程设计参数如表1所示。暗挖部分穿越地层为回填土、粉土、黏质粉土、圆砾卵石层、中粗砂层。暗挖段顶板位于粉土层，底板位于卵石圆砾层，结构主体上半部分主要处于粉土层。卵石圆砾层厚3 m，其下为9 m厚的粉土层。暗挖段上穿既有线(1#线)的某区间，与既有线顶部结构外表面相距 0.5 m，使其在里程 K210+69.68～K210+93.34范围受到影响(见图2)。

图1 标准断面图(单位:mm)

2 存在的问题

当在既有地铁隧道上方进行新建地铁施工时，对既有隧道的顶部卸载会引起既有地铁结构的隆起变形。运营地铁对隧道结构的变形要求极其严格。如何控制既有隧道的隆起变形成为急需解决的问题。施工中采用合理的施工方法对变形的控制至关重要。

表1 初期支护及混凝土衬砌设计参数

既有线隧道的纵向变形随隧道周边土体的抗剪强度指标C(黏聚力)、φ(内摩擦角)等值变化而变化，也随隧道卸载量变化而变化;对新建车站底部及既有隧道周边土体进行加固，可以提高土体的 C、φ值，进而增强隧道抗卸载纵向变形的能力;采取减小单次卸载量、分阶段施加预应力锚杆等措施及时补偿部分卸载量，可以补偿部分既有线隧道的卸载变形。另外，地下水位、水量的变化不但导致隧道纵向荷载变化，而且也引起土体的抗剪强度指标C、φ等值的变化。

暗挖车站上穿既有地铁隧道采用“中柱法”施工。在施工过程中对既有地铁结构采取系统性保护措施，能严格控制地表沉降和围岩变形，可以有效地控制既有线隧道结构隆起变形，确保变形值控制在规定范围内，保证既有线的正常运营和既有线结构使用年限不受影响。

车站采用“中柱法”施工，将整个断面开挖横向分为侧洞、有柱的柱洞和中洞共5个洞，先自上而下对称施工柱洞初期支护，再由下而上施作柱洞二次衬砌，建立起梁、柱支撑体系。柱洞完成后，施工两个柱洞中间的中洞的初期支护和二次衬砌，形成整个大中洞稳定体系。之后，对称自上而下施工两侧洞的初期支护。最后，纵向分段自下而上对称施作二次衬砌，完成结构闭合。照此施工顺序，不但减小了单次卸载量，还可实现在既有线上部土体开挖前先对既有线进行注浆加固，任一洞室初支完成后，即可设置预应力锚杆、施工二次衬砌，及时补偿卸载，形成加固、开挖、补偿、再加固、再开挖、再补偿的卸载模式。施工中，从改变暗挖车站底部和既有隧道周边土体性质、及时补偿部分卸载和降低地下水位等方面来有效控制既有隧道隆起，另外，采取24 h不间断远程对既有线进行电子监测，确保既有线运营的绝对安全。柱洞及施工分块见图3。

3 施工工艺流程

中柱法施工工艺流程为:施工准备→施作超前支护→柱洞开挖支护→施作柱洞底纵梁、钢管柱及顶纵梁→中洞拱部开挖支护→中洞拱部衬砌→中洞下部开挖及中洞底板衬砌→侧洞开挖支护→侧洞衬砌及全部内衬结构。车站暗挖段施工步序见表2。

4 操作要点

4.1 施工降水

当隧道处在相对不透水土层中，水位的上升或下降如同对隧道的加载或卸载。新建车站开挖前，先降水在既有隧道的底板以下，相当于对既有隧道向下卸载，以平衡部分新建车站开挖时对既有隧道向上的卸载。同时，既有隧道周边的土体水疏干后，也提高了土体的抗剪强度，增强了抵抗卸载变形的能力。

4.2 开挖支护

柱洞、中洞和侧洞开挖均采取台阶法开挖，分三层三部开挖初支。两侧同号洞室宜对称进行。每部之间用临时中隔壁及仰拱分割。

1)永久性初期支护采用钢格栅+连接筋+C20网喷混凝土支护体系。临时中隔壁与临时仰拱采用工字钢+纵向连接筋+网喷混凝土支护体系。各层台阶长度3～5 m。1部与3部掌子面保持8～10 m距离。

2)暗挖车站外轮廓的拱及侧墙径向外放10 cm。循环进尺0.5 m。拱部采用环行开挖留核心土人工开挖。开挖循环进尺为每榀拱架的间距。严格按开挖外轮廓线开挖，避免超挖，禁止欠挖。

4)为确保施工安全，要求开挖掌子面进行刷坡，不得陡于2∶1，并用喷混凝土封闭掌子面，严禁垂直、甚至于反坡开挖。

5)由于开挖步骤多，土体多次扰动，要求在每小洞室拱脚布设锁脚锚管，注浆加固，减少沉降，必要时，在拱脚设一暗梁，纵向连接筋加密，用喷混凝土喷实。严禁拱脚置于虚土上。拱脚用木板或混凝土块垫塞牢固。

6)在拱部预埋回填注浆管，每4～6 m一组。初支封闭后，及时注水泥浆液回填，填充初支背后孔隙，抑制地表下沉。

7)由于分多部开挖，要求格栅钢架连接板布置合理，加工精密。钢架支撑为螺栓连接，要确保其连接质量。

8)钢架架立。钢拱架间距为0.5 m，净保护层内外侧均为40 mm。安装前必须核对拱架的型号、方向和尺寸，禁止施工不合格拱架。施工需要控制好间距、同步、高程、净空、垂直度。立钢架严格按50 cm间距施工，接点要对齐，螺栓要上齐、拧紧，接头的搭接焊满足要求。钢架安装前应清除底脚下的虚渣及其它杂物，超挖部分用混凝土或砖块垫实。要求在开挖的同时将相应的钢架运到掌子面，保证施工的连续性。

表2 中柱法施工步序

9)联结筋、钢筋网施工。格栅间设内、外两层φ22 mm的纵向连接筋，每层环向间距0.8 m，上下错开布置。在格栅内外侧双层布设 φ6 mm@150 mm×150 mm、搭接长度为150 mm的钢筋网片。纵向连接筋搭接长度要求单面焊10 d(d为钢筋直径)，双面焊5 d;满焊，焊接饱满，无药皮，保证无漏焊、焊伤现象。纵向连接筋成一条直线，环向间距误差控制在3 cm之内，与钢架主筋焊实;钢筋网片要求与钢架主筋点焊。

10)喷射混凝土施工。喷射混凝土强度等级C20，需严格按配合比拌料。主筋净保护层内外侧均为40 mm。喷射混凝土前，施工缝进行认真清理、凿毛，底部保证无虚渣、积水;对喷射混凝土的结构，不能出现脱落和露筋现象;喷射混凝土保证密实，无空洞;钢架间喷射混凝土厚度满足设计要求，无大的起伏凹凸，表面平整圆顺，作到内实外光。喷射作业应分段、分片、分层，由下而上，依次进行，如有较大凹洼时，应先填平。分层喷射时，后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行;若终凝1 h后再进行喷射时，应先用风水清洗喷层表面。一次喷射厚度可根据喷射部位和设计厚度确定，拱部应为3～5 cm，墙部为5～9 cm。

11)背后回填注浆。每洞区支护封闭3～5 m后，即进行初支背后回填注浆。浆液采用纯水泥浆，注浆压力不宜过大。背后注浆管每断面布置三根，分别设于拱顶和两侧拱肩部位，纵向间距3 m。

注浆管采用φ42 mm小导管，长度50 cm，在喷射混凝土前预埋，并与格栅钢架焊接在一起，内端用牛皮纸包裹，外端露出支护表面10 cm，用棉纱封堵加以保护。采用0.3～0.4 MPa压力注(1∶1)水泥浆。对回填注浆后仍有漏水现象的区域，进行重新排管再注浆、多次注浆，直到渗漏水被堵住为止。

4.3 主要辅助施工技术

4.3.1 大管棚施工

设计参数:在暗挖车站横断面的拱部范围内、沿车站拱顶环向按3根/m布置大管棚超前支护，管棚设计为φ159 mm×8 mm无缝钢管。

施工措施:管棚采用 TT40型水平导向钻机钻φ180 mm的导向孔，然后采用 TT145型夯管锤夯进φ159 mm钢管的方法施工。

4.3.2 超前小导管施工

设计参数:拱顶管棚间布置φ32.5 mm热轧钢管，厚 t=3.5 mm，长2.5 m，外插角10°～12°，每榀打设一排，环向间距333 mm，注浆根据地层采用水泥或水泥水玻璃双液浆。小导管头部加工成尖锥状，尾部焊箍，管壁上钻注浆孔(φ6 mm)，间距 50 cm，呈梅花形布置，离尾部60 cm内不开孔，顶入长度不应小于管长的90%。

施工措施:在喷混凝土后采用风镐排设，均在结构钢架钢筋下且密贴，排设后与拱架主筋焊接。超前注浆采用水泥水玻璃双液浆，注浆压力0.5～0.7 MPa，至注不进为止。

4.3.3 过既有线加固施工

为防止车站暗挖段在上穿既有线区间时，由于既有线上部卸荷而造成的区间隧道结构变形破坏，采用预注浆和锚杆对既有线进行地基加固。

1)预注浆

设计参数:在各个洞室的第1步开挖中，在洞内对下部土体进行注浆加固。加固的范围为:①车站暗挖段一侧向外延伸6.49 m到暗挖段另一侧向外延伸6 m的范围内;②地铁既有线从两侧向外各延伸6 m的范围内和既有线两隧道之间的部位;③加固深度为结构底部向下9m。加固范围见图4。

图4 加固范围示意(单位:mm)

注浆材料选用抗压强度不低于30 MPa的超细水泥浆，注浆压力0.4～0.5 MPa。加固既有线注浆采用二重管无收缩双液注浆技术。二重管钻机钻杆具有成孔和双液注浆功能，确保钻孔和注浆连续、快速进行。钻孔时清水从端头混合器的端点送出，利于成孔;钻孔到所定深度，端点关闭进行横喷射切换，用注浆泵将双液浆同时压入外管和内管，并在端头混合器内混合进行横向喷射，使注浆液能浸透到地层中。注浆时采用电子监控手段实施定向、定量、定压注浆，使岩土层的空隙或孔隙间充满浆液并固化，改变岩土层的性状。注浆为后退式注浆，后退幅度每步为15～30 cm，匀速后退，当压力突然上升或从孔壁溢浆时，应立即停止注浆，查明原因后采取调整注浆参数或移位等措施重新注浆。

2)锚杆加固地层

锚杆间距呈梅花形布置，间距2 m×2 m，锚杆长为15 m及10 m两种，贴近既有线区间采用长锚杆;主体结构边缘锚杆为斜向外侧下方设置(与垂直方向夹角为10°)，其余为垂直向下设置。杆体材料为2φ32 mm钢筋，锚杆全长为锚固段，锚固直径为0.1 m，锚杆轴向拉力设计值230 kN;锚杆注浆材料为水泥浆，其抗压强度不低于30 MPa。

锚具和联接锚杆杆体的受力部件，均承受95%的杆体极限抗拉力;锚杆预应力锁定值取轴向拉力设计值的0.6～0.8倍;锚杆施工前，宜取两根锚杆进行钻孔、注浆、张拉锁定的试验性作业，考核施工工艺和施工设备的适应性，锚杆孔深不应小于设计长度，也不宜大于设计长度1%，钢筋的接头应采用单面搭接焊(搭接长度≥35 d)，并排钢筋的连接采用分段点焊。

4.4 衬砌施工

4.4.1 底梁衬砌

底纵梁混凝土为大体积混凝土，要求从混凝土配合比采取措施，防止混凝土由于温度应力开裂。混凝土采取纵向分幅竖向分层自下而上浇筑，严格控制分层厚度。由于钢筋较密，采用较大坍落度混凝土，用小直径振捣棒插入式振捣，在钢管柱底座附近小心振捣，避免对钢管底座的扰动。

4.4.2 天梁衬砌

1)顶纵梁铺设防水板时，预留的接头离要破除的中隔壁距离为500 mm，边沿用双面胶带固定在防水垫层上，以防破除中壁混凝土时风镐碰破及割除格栅时烧伤防水板。

2)顶纵梁的钢筋预留接头应远离防水板，并考虑冷挤压设备的操作空间。

3)由于顶纵梁截面较大，需提前破除相应部位临时仰拱的喷混凝土，不割除仰拱钢架，底部竖向脚手架安设在已施工的底纵梁上，同时设置扫地杆和剪刀斜撑，确保整体刚度，以免失稳。

4)顶纵梁采取分段施工，分段长7 m左右。混凝土浇筑口设在端头板上部，同时在纵梁侧面上方间隔设置排气孔，采用高性能免振自密实混凝土。

4.4.3 中洞扣拱衬砌

中洞采取纵向分段施工:将影响施工的临时支护分段拆除，依据初期支护方向施工二次衬砌，纵向分段长度为6～8 m(一倍跨距左右)，施工缝设在柱跨1/3～1/4跨度处。中洞二次衬砌完成后，同步进行两侧洞初期支护施工，侧洞开挖贯通后，逐段对称拆除中隔壁，每次拆除长度为一个衬砌循环的长度，严禁超前拆除。

4.4.4 侧洞拱墙衬砌

侧洞拱墙采用组合可调钢模板一次浇筑成型，纵向分段为6～9 m。

4.4.5 钢管柱施工

钢管柱的钢管采用工厂加工，钢管、钢筋笼现场吊装，混凝土使用商品混凝土。钢管在工厂生产完成后，需对其进行探伤试验和垂直度、长度等各项常规检查。到现场吊装完成后，对钢管柱的位置进行严格的测量定位。钢管与底盘焊接完成后，需再次对焊缝进行探伤试验，并对其垂直度严格把关。最后浇筑混凝土。

4.5 施工远程监测

在暗挖车站施工期间，必须对既有地铁进行全天候的实时监控量测。传统监测技术在高密度的行车区间内无法实施，且不能满足对大量数据采集、分析以及及时准确的反馈，因此，采用远程自动化监测系统对既有线的结构和轨道变形每天进行24 h监控量测。该系统由在量测部位安装的测量元件、数据传输线、监控室的终端计算机组成。监测项目如下所述。

4.5.1 既有线结构变形监测

结构沉降监测采用静力水准仪。以新建车站下长33 m的既有线隧道为重点监测区域，上、下行线共布设24个测点。以2个结构缝处为重点监测对象，在结构缝的两侧各布设1个测点。针对施工可能影响到变形缝之间的胀缩，采用测缝计进行测量，每道变形缝上布设2只测缝计。

4.5.2 轨道变形监测

1)走行轨结构纵向变形监测。本项观测为监测重点，因静力水准仪的精度在沉陷量传递中精度明显高于水平梁式倾斜仪，故轨道变形监测采用在地铁排水沟中布设静力水准系统的方法进行监测。以新建车站下长33 m的既有线隧道为重点监测区域，上、下行线共布设16个沉降测点，该系统同时可监测走行轨结构变形缝处的不均匀沉降。

2)采用变位计监测走行轨水平间距的相对变形，配合沉降测点上行、下行轨共布设6只。

3)采用梁式倾斜仪监测走行轨左右水平的相对变形，配合沉降测点上行、下行轨共布设6只。

5 结束语

该车站暗挖段从开挖施工至结构完成，历时10个月，既有线结构最大隆起 7.59 mm，轨道最大隆起7.29 mm，整个施工过程确保了既有线的正常运营和结构安全。施工中，采用了一整套控制既有地铁隧道变形的技术措施，克服了以往类似工程因对地铁工程保护不力而不能实施的状况，使在既有地铁隧道上方的施工处于安全、可控状态，使工程得以顺利实施，具有良好的社会效益。同时，也为同类工程提供有针对性的、通用的、系统的技术保障体系。另外，合理地选择了施工参数和对既有线的保护措施，在保证质量安全的前提下节约了资金。

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