软弱地层区间隧道下穿既有车站施工方案研究

张登科，于鹤然

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037;2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031)

1工程概况

北京地铁2号线车公庄站为单层三跨框架结构端头厅式车站，总长181.3 m，宽22.3 m，高11 m;底板厚1.3 m、侧墙厚为1.1 m，顶板厚1.5 m;沿车站纵向每25 m设置一条变形缝。后建6号线区间隧道顶部与既有线车站底板间距约2.4 m。其右线隧道位于车站中心南侧20 m处，左线隧道位于北侧30 m处。具体位置关系见图1、图2。

图1 平面位置关系(单位:m)

图2 立面位置关系(单位:mm)

2 工程地质与水文地质条件

车公庄站工程范围内地形起伏较大，地面高程47.82～49.15。根据车站详勘资料，勘探场地在地貌上属冲洪积平原，地层以第四纪冲积、洪积土层为主;勘察深度车站站址范围内地层由上至下依次为:房渣土层、粉土填土层、粉土层、粉质黏土层、细砂层、粉质黏土层、卵石层、粉质黏土层、细砂层、中砂层、卵石层、粉质黏土层、卵石层。

根据勘察资料，在钻孔深度50 m范围内实测一层地下水，为层间潜水，含水层为卵石层、卵石层，含水层主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流和人工开采的方式排泄。

根据设计进展及地铁建设管理公司风险源管理体系相关规定，换乘通道下穿既有线及在既有站底板开洞定为特级风险源，由于既有线建成年代比较久远，施工前必须对下穿施工方案从安全性角度进行分析，以保证既有线结构及运营安全。

3 施工方案可行性及预期效果分析

3.1 方案介绍

本施工方案中，区间下穿段施工采用台阶法开挖，增设临时仰拱，并对隧道周边土体进行深孔注浆，注浆后无侧限抗压强度:开挖面不小于0.5 MPa，周边不小于1.2 MPa。纵向注浆范围为车站前后9.5 m，横断面注浆范围见图2。隧道施工步骤见图3。

3.2 方案分析

采用计算机数值模拟方法，对本施工方案全过程进行了仿真计算，计算目的在于分析开挖“洞室群”的施工过程对既有车站建筑的形变影响。

3.2.1 模型建立及本方案施工工序

地铁车站、开挖土体和地层土体均采用的是六面体单元。沿车站纵向，车站变形缝将地铁车站分割成若干段，模型尺寸81.1 m(沿既有车站结构方向)×60.81 m(垂直既有车站结构方向)×37.57 m(高度)。

根据设计方案，施工顺序为先施工换乘通道，后开挖区间隧道。因两条隧道距离较远施工过程相互影响很小，分析中采取2条隧道同时施工。计算模型和施 工工序示意见图4。

图3 矿山法隧道施工步骤示意图

图4 计算模型及计算工步示意

既有车站车站结构底板切割及施工工序严格按照图4进行。

地铁车站和周围土体在自重、地面超载、人群荷载和车辆荷载作用下的初始应力状态平衡后，采用与设计方案完全相同的工序施工。下穿隧道远离车站部分掘进进尺约为4 m/循环，在车站底部施工时进尺为1.2～1.8 m/循环;上下台阶施工距离间隔约2个施工步，二衬施作距下台阶1个施工步。

计算模型中选取的参数见表1。

表1 模型计算参数

3.2.2 空间模型沉降分析

(1)新建结构施工引起既有结构最大沉降分析

分析矿山法施工区间隧道对既有车站结构沉降影响，随施工步变化的最大沉降曲线示于图5。

经过分析，矿山法施工对既有车站结构最大变形量约为3.32 mm(位于侧墙上)，其中大部分沉降值发生在区间隧道施工过程中。

(2)既有车站结构纵断面、横断面沉降分析

既有车公庄车站在区间隧道及新建通道施工条件下结构的纵向变形，主要选取车站结构底板上变形最大的左边跨跨中纵断面、中跨跨中纵断面、右边跨跨中纵断面进行观测，对各施工阶段结束后的沉降变形进行分析。

图5 换乘通道及区间隧道施工各施工步与车站结构最大沉降量关系曲线

沉降变化最大的左边跨跨中纵断面随施工步变化的沉降曲线如图6所示。图中可以看出，在新建通道施工后，随着车站底板的左右开洞，底板重力减小，车站底板结构沉降整体减小，纵向沉降曲线发生向上位移的趋势，其后对车站结构变形影响最大的是区间隧道的施工。

图6 车站底板左边跨跨中纵断面变形曲线

车站结构左边跨跨中纵断面最大沉降量约为3.08 mm，出现于左侧下穿隧道上方;在两隧道中间车站结构的累计沉降量约为2.99 mm。车站结构的沉降最终基本趋于同一水平线。车站结构中跨跨中纵断面的最大沉降为2.72 mm。右边跨跨中纵断面上最大沉降为2.64 mm。

各横断面的测点随施工步的推进的沉降情况见图7。其间最大沉降差见表2，从表中可以看出，由于通道并未完全下穿整个车站，车站底板结构会产生不均匀沉降，可能产生扭转位移。将各横断面的沉降曲线示于图7。

图7 车站底板各横断面测点随荷载步变化的沉降曲线

表2 矿山法施工关键施工步横断面的最大沉降差 mm

(3)区间隧道施工引起轨道沉降值分析

由于下穿隧道位于车站左线轨道道一侧，故左线轨道受影响略大，应作为重点分析对象。其左右两根钢轨的最大沉降发生在两下穿隧道正上方，两轨道的最大累计沉降分别为3.09 mm和2.91 mm。矿山法施工区间隧道对既有车站轨道最大变形量示于表3。

图8 既有车站轨道在不同施工阶段沉降曲线

表3 矿山法施工各轨道纵向最大沉降 mm

从每步工序的最大沉降量可以看出，换乘通道与矿山法区间隧道施工对既有车站影响的最大累计沉降为3.32 mm，发生在边墙处。在施工过程中，区间隧道施工至车站底部时，应谨慎施工，减小对车站的扰动。矿山法隧道施工及新建通道的施工的纵向沉降影响范围大约在80 m左右。

由于本模型在未考虑钢轨刚度以及扣轨等加固措施的情况下，得出沉降值与控制值较为接近，故认为本施工方案是可行的，对既有车站的影响程度是可控的。

4 施工过程概况

车公庄车站于2011年12月8日开始正式施工，采用上下台阶法加临时仰拱工法方案施工，且在粉细砂层采用超细水泥浆进行超前注浆。超前注浆与开挖交替进行。2012年3月8日，车平区间过既有线左线、右线二衬施工完毕。截止同年5月31日，监测结果最大值统计见表4。

表4 监测成果最大值统计 mm

5 结论

(1)北京地铁6号线车公庄—平安里区间隧道以及换乘通道下穿地铁2号线车公庄车站在下穿段施工中，采用了上下台阶+临时仰拱+深孔注浆工法，各监测点累计沉降值均未超过预警值。数值计算结果与现场实测数据基本一致，二者有力表明，经过深孔预注浆、台阶法施工的区间隧道能有效地减小隧道施工对既有结构的影响，有效地控制了既有结构的扭转趋势。

(2)在软弱地层条件下，下穿既有地铁车站的隧道工程采用上述综合措施，是行之有效的，既能保证既有线路、既有结构的运营、使用的安全性，又能大幅度的简化施工工序，缩短工期，控制施工成本，为今后类似地铁近接工程提供一定的借鉴意义。

［1］关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］中华人民共和国铁道部.TBJ108—92 铁路隧道喷锚构筑法技术规则［S］.北京:中国铁道出版社，1992.

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