地铁车站双层暗挖段零距离下穿既有市政隧道风险分析

2019-03-31房旭

铁道勘察 2019年6期

房旭

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

在城市地铁的建设过程中，往往会遇到新建地铁线路近距离甚至零距离穿越既有建构筑物的工程难题。地铁下穿施工必然对既有地下结构产生扰动，影响既有结构的安全。杨成永[1]等以某地铁下穿既有车站工程为例，提出了密贴下穿既有车站的施工技术，并制定了“CRD+千斤顶”支护法及注浆等辅助措施;扈士琰[2]采用数值模拟方法对车站近接既有隧道结构施工进行分析和动态模拟;沈小辉[3]等对既有车站下方土体进行预加固、在暗挖隧道与既有车站间设置千斤顶两种方法进行对比分析，推荐了千斤顶法。还有不少学者对零距离下穿既有结构进行了许多有意义的研究工作[4-15]，并取得了一些很有应用价值的研究成果。针对成都某地铁站局部双层暗挖段零距离垂直下穿既有市政隧道及高架桥工程，通过建立三维数值模型，模拟双层暗挖段施工过程，揭示既有市政隧道结构、高架桥基的沉降特性，提出相应的风险控制措施。

1 工程概况

某既有市政隧道结构包括U 槽结构、普通双孔闭合框架等，全长约449.071 m。其中，框架段全长110 m，每22 m 设置变形缝1 道。新建车站下穿段为双孔闭合框架段。

新建地铁车站采用地下三层岛式站台，跨路口设置，与既有市政隧道垂直交叉，交叉段为地下两层结构，标准段外包宽度为22.5 m，岛式站台宽13 m，车站覆土厚约4.3 m。新建车站与既有市政隧道平面交叉关系如图1 所示。

车站边导洞跨隧道变形缝布置，边导洞距离高架基础约8.5 m。车站与市政桥隧剖面相对关系如图2 所示。

2 数值模拟

图1 新建车站与既有市政隧道平面交叉关系

图2 新建车站与既有市政桥隧竖向交叉关系(单位：m)

根据地质勘察报告，拟建场地范围内从上至下的地层主要为第四系人工填土层、第四系全新统冲洪积松散-密实卵石层，场地稳定性较好;地下水主要为第四系卵石层的孔隙潜水，抗浮设计水位为地下2 m。

根据工程地质、水文地质资料、工程现场自然环境及既有地下结构型式，车站密贴穿越既有市政桥隧拟采用PBA 六导洞法施工，其中上层4 个导洞为平顶直墙结构，下层两个导洞为拱顶直墙结构。

采用三维数值计算程序对新建车站的施工过程进行仿真模拟计算。混凝土及土体采用实体单元模拟，导洞初支采用壳单元模拟。两侧水平约束，底部竖向约束，区域顶面自由(如图3)。采用有限元弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb 准则，并假定材料为各向同性均匀介质。工程地质力学参数如表1 所示。

为便于识别，将6 个导洞按照1 ～6 的顺序进行编号，如图4 所示，其中1、4 导洞跨市政隧道变形缝。

图3 有限元计算模型

表1 工程地质参数

为了减少1、4 导洞开挖对变形缝两侧结构的影响，1、4 导洞最后开挖，按5-6-2-3 的顺序先期开挖中间四个导洞。中间四个导洞开挖完成后，在导洞内施作底纵梁、钢管柱及顶纵梁，形成对中间市政隧道的竖向支撑体系，如图5 所示。

图5 中间市政隧道的竖向支撑体系

采用台阶法错距开挖1、4 号边导洞，从两边导洞向下施作人工挖孔桩。边桩打设完成后，及时施作桩顶冠梁，形成对市政隧道的四桩基支撑体系，如图6 所示。

图6 市政隧道的四个桩基支撑体系

导洞间土体贯通后，沿车站纵向分段(每段不大于一个柱跨)凿除1、2、3、4 号小导洞部分的初期支护结构，施工顶板防水层及结构二衬，最终形成由车站顶板、边桩及中柱组成的支撑体系，如图7 所示。最后，逆作法施工车站剩余主体结构及内部结构。

图7 市政隧道的竖向支撑体系

3 车站施工对市政桥隧的影响分析

车站施工完成后的应力云图如图8 所示。由图8 可看出，青华路站开挖对车站正上方变形缝两侧的市政隧道结构产生了较大的影响，而对邻近二环高架桥基的市政隧道结构影响较小。因此，控制变形缝两侧的市政隧道结构变形为施工控制的重点。为减少车站小导洞开挖对市政隧道基础的削弱，采用全断面注浆加固的方式对导洞间土体进行加固。取车站与箱涵交点断面为观察断面，对应车站施工各主要开挖步序的地表沉降云图及沉降曲线如图9～图12 所示。

图8 市政隧道应力

图9 5/6 导洞开挖地表沉降

图10 2/3 导洞开挖地表沉降

图11 1/4 导洞开挖地表沉降

图12 模型地表沉降曲线(剖面模型)

各步序开挖引起的地表沉降最大值及所占百分比如表2 所示。由表2 可知，地表最终最大沉降值大致出现在车站结构中心线附近，约为28 mm;5 号、6 号导洞的开挖对地表沉降的影响最大，引起的地表最大沉降约占最终最大沉降的39%，其次是2 号、3 号导洞开挖，引起的地表最大沉降占最终最大沉降的百分比约为24%。

表2 地表最大沉降值占比

取车站与箱涵交点断面为观察断面，对应车站施工各主要开挖步序的市政隧道沉降云图及沉降曲线如图13～图16 所示。

图13 5/6 导洞开挖隧道沉降

图14 2/3 导洞开挖隧道沉降

图15 1/4 导洞开挖隧道沉降

图16 市政隧道沉降曲线(剖面模型)

各步序开挖引起的市政隧道沉降最大值占地表最终最大沉降值的百分比如表3 所示。隧道结构的最大沉降出现在车站结构中线位置，约为34 mm;导洞开挖阶段对隧道结构沉降的影响最大，沉降值约占最终最大沉降值的80%，其中5 号、6 号导洞的开挖对地表沉降的影响最大，引起的地表最大沉降约占最终最大沉降的37%，其次是2 号、3 号导洞开挖，引起的地表最大沉降占最终最大沉降的百分比约为28%。

表3 隧道结构底板最大沉降值占比

由图16 可以看出，两变形缝间的市政隧道结构呈现刚性整体沉降，两变形缝外与两变形缝之间的差异沉降明显，车站开挖对高架桥基础所在隧道结构沉降的影响较小。

4 拟采取的措施

车站施工对车站上方两变形缝间隧道结构节段的沉降影响较大。因此，如何控制该节段范围内的结构沉降为本工程的重点和难点。

密贴下穿既有市政隧道施工过程中，因小导洞的开挖扰动，引起其上部既有结构和周边土层的应力重分布，从而引起既有隧道结构的较大变形。因此，考虑在小导洞开挖时对导洞间土体进行注浆加固，增加导洞间的土体刚度，减少导洞施工对既有隧道结构基础的削弱作用。及时对初支背后进行回填注浆，保证导洞顶板与市政隧道底板密贴。改进喷射混凝土工艺，先喷射10 mm 厚砂浆，再喷射混凝土，以保证初支顶板与市政隧道底板密贴。 “短进尺、强支护、快封闭”，充分利用“时空效应”，在既有结构发生沉降前即形成导洞封闭。

既有市政隧道变形缝两侧的差异沉降较大。为了保证既有市政隧道内的行车安全，采用了千斤顶顶升的手段，对既有市政隧道结构提供辅助支撑。千斤顶可以安装在小导洞初支结构上，随着开挖及监测情况，分级加载、动态调控，减少既有结构变形缝间的差异沉降。