地铁竖井横通道下穿既有电车轨道综合施工技术研究

杨 高

（中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司 辽宁沈阳 110043）

1 引言

新建隧道下穿既有轨道时，必定会对既有轨道造成扰动，致使轨道发生沉降［1-4］。当沉降过大时，将会对既有列车的正常行驶产生影响，严重时甚至会导致破坏，造成生命财产安全隐患［5-7］。因此，在新建隧道时选择合适的施工方法并制定相应的防护措施，减小对既有轨道沉降的影响，保证其安全性具有重要意义。海涛［8］介绍了深孔注浆加固施工补救措施和既有轨道交通线路应急事故处理方案；何梦超［9］等人以福州地铁1号线盾构隧道下穿轨道工程为例，运用故障树分析方法对轨道变形风险进行定量分析；张鹏辉［10］根据连续弹性点支承梁模型中路基的差异沉降而导致轨道沉降的计算方法，将地表沉降作为轨道沉降的非线性边界条件，对轨道沉降进行预测；王住刚［11］根据西安市轨道交通L3胡家庙站-石家街站区间穿越陇海铁路线中的特殊案例，采取地面沉降和管片上浮控制、监控测量等技术措施，优化了施工并取得良好的经济效益；刁伟轶［12］介绍了隧道下穿铁路中不同的加固方法，总结了在不同条件下，新建隧道对拟建铁路区域的影响。

沈阳地铁9号线在奥体中心站-奥体东站区间下穿已有2号线奥体中心站。针对地铁竖井横通道下穿电车轨道施工技术进行了全面的研究。研究发现，采用“竖井横通道交替施工”方案，可以有效控制上部轨道沉降，确保了上部有轨电车的正常运营；提高了支护结构的稳定性，同时给出了优化施工方案。基于本文提出的施工方法及措施，竖井与横通道顺利完工，与此同时还取得了极大的经济效益。竖井、横通道与有轨电车轨道平面布置见图1。

图1 竖井、横通道与有轨电车轨道平面布置

2 工程概况

沈阳地铁9号线在奥体中心站下穿2号线奥体中心站，向东达到奥体东站。依据工程计划，先施工1号竖井和横通道，进而施工初支和二衬，然后根据洞门位置，进行超前小导管注浆并施作临时支撑。待加固完成，开始马头门破除施工。

1号竖井施工方法为倒挂井壁法，钢筋网挂喷混凝土，初喷厚300 mm。单次开挖取0.5 m并架设格栅钢支撑。竖井为临时设计，最后需进行回填。

图2 竖井与横通道剖面图

以台阶法对联络通道进行施工，单次开挖0.5 m后架设格栅钢支撑，初喷砼厚300 mm。其中竖井、横通道及区间隧道的剖面见图2。

3 下穿施工方案初步确定

竖井转横通道施工是本区间工程的重难点，施工难度大、风险高，既要使上部结构正常运行，还应注意安全施工，防止出现安全隐患。根据目前相关的研究成果和工程经验，确定了竖井转横通道的施工方案，即“竖井-横通道交替施工”。

该施工方案的具体步骤:第一步，先进行竖井的开挖，开挖至横通道上台阶底部标高；第二部，进行竖井封底；第三步，将横通道上台阶连接处井壁破除，继续开挖与支护上台阶；第四步，上台阶施工完成后，完成剩余竖井施工；第五部，破除与横通道下台阶连接的部分井壁，进行下台阶的开挖与支护。

4 有限元分析

为合理分析该方案施工对既有运行电车轨道及支护结构稳定性的影响。基于“竖井-横通道交替施工”的方法，利用有限元软件对施工全过程进行仿真计算，验证该施工方案的合理性。

4.1 模型建立

采用有限元软件对沈阳地铁9号线十六标段竖井转横通道施工进行数值模拟分析，图3给出了竖井与横通道施工三维数值分析模型。其中规定X轴正向为横通道掘进方向，Y轴为垂直横通道方向，Z轴为竖直向上。模型在X、Y、Z三个方向上取尺寸60 m×45 m×40 m。根据现场地质条件，将粉质黏土、砾砂和圆砾三种地层简化为均质水平层状分布，厚度分别为2.5 m、27.5 m、10 m。数值模拟中，地层采用六面体实体单元；竖井与隧道初期支护为壳单元，厚度300 mm；格栅钢架按实际尺寸采用实体单元模拟；轨道基础为500 mm素混凝土+400 mm卵石基层，钢轨为一维线单元。整个模型共划分单元36 535个，节点14 049个。除地表是自由边界外，模型其余边界均为法向约束。

图3 竖井、横通道施工有限元模型

根据沈阳地铁9号线十六标段区间勘察资料，土层的物理力学参数见表1。地层岩土体计算模型采用Mohr-Column本构模型；支护和临时支撑中由于包含钢拱架、金属网、混凝土等，其本构模型采用等效模型；竖井-横通道结构与钢轨材料均视为弹性体，物理参数如表2所示。

表1 土体基本物理力学指标

表2 构件力学指标及相关参数

4.2 数值模拟结果分析

4.2.1 有轨电车轨道沉降分析

图4为模拟施工完成后既有轨道与轨道基础所产生的沉降云图。从图4可以很直观地看出，该施工方案引起的最大沉降量出现在横通道下穿既有轨道区域，随着既有轨道与横通道的水平距离不断增大，轨道的沉降量越来越小，但总体的沉降量相差不大，最大沉降值为-1.02 mm。

图4 基础与轨道竖向位移云图

为研究施工造成既有电车轨道沉降，本工程采用了智能检测，并将监测点布置在横通道正上方四条钢轨节点处。沉降观测点的位置见图5。图6给出了各观测点的沉降位移随着开挖施工的变化规律。从图6可以看出，竖井第一步施工对既有轨道的影响不大，沉降值约为-0.08 mm；但随着横通道上台阶的施工，既有轨道的沉降速率增大，最大沉降值增长到-0.06 mm；在竖井与横通道下台阶施工过程中，既有轨道的沉降速率变缓，当该方案施工完成后，产生的最大沉降值约为-1.02 mm。

图5 测点分布

图6 测点沉降位移变形曲线

由上可知，采用该施工方案进行竖井转横通道施工时，对控制既有运行电车轨道变形数值和速率能取得更好的效果，使得既有运行电车轨道所产生的沉降值均符合安全要求，保证了有轨电车可正常运行。

4.2.2 支护结构稳定性分析

地下工程建设过程中，通过观察支护结构的稳定性，能够清楚地预知围岩的应力变化。因此，在选择安全、适宜并可行的施工方案时，支护结构位移变形与应力变化情况的研究作为必不可少的一部分，有助于决策者做出合理判断。图7为完工后支护结构位移云图。从图中可以看出，在该方案中，马头门仰拱处出现最大位移变形，最大值达到3.962 mm。对于横通道，拱顶及仰拱位移基本在2.98～4.12 mm之间，总体来说，支护结构位移满足要求，稳定性较好。

图7 支护结构位移云图

表3为该方案进行施工引起的横通道不同部位位移分量值。由表可知，施工引起马头门拱顶在水平向和竖向的位移分别为3.18 mm和-0.49 mm，仰拱部位分别为-5.54 mm、3.52 mm，两处的位移变形无太大差异。

表3 马头门仰拱处和拱顶处的水平和竖向位移

5 竖井与横通道施工措施

根据数值计算结果，经过综合分析，该工程选择交替施工方案进行施工。主要重点如下:

（1）在竖井施工中，需在井口位置设置长为8.8 m、宽7.4 m的锁口圈梁。开挖采用人工和机械开挖相结合方式，开挖至锁口圈梁底部以下0.1 m。

（2）开挖竖井部土体。地表下5 m范围的土体人工进行开挖，5 m以下的土体以机械与人工相配合的方式进行开挖，每向下开挖0.50 m便随即架设一榀格栅钢架，然后喷射C25混凝土加固井身。开挖方法在无特殊地质时采用全断面法，而遇到地质情况不良和有水情况，需分块，见图8（1、3、5、7为开挖顺序；Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ为格栅钢架架设顺序）。

图8 开挖支护顺序

（3）打设锚杆。净空满足要求后，开始以与井壁相差15°的角度打设锁脚锚杆。在混凝土初喷之前、锚杆打设之后，给井壁施作一层钢筋网片，喷300 mm厚混凝土封闭，增加井壁在裸露环境中的安全性。

（4）封底施工。开挖到横通道上台阶时，要对竖井封底。喷25 mm厚混凝土，终凝后，进行层钢筋网片铺设，并架设外围格栅钢架，最后完成封底作业。

（5）马头门及横通道上台阶施工。对马头门拱顶部分进行超前支护，然后再破除井壁支护结构进行土方开挖。考虑到横通道上台阶开挖对地表沉降的影响较大，因此，在严格控制进尺为0.5 m的同时，先以超前小导管注浆对土体加固。

（6）横通道上台阶施工完成以后，开始堵头墙施工。

（7）竖井剩余部分与横通道下台阶施工。

6 结论

本文以沈阳地铁9号线十六标段1#竖井及1#横通道下穿沈阳有轨电车2号线为工程背景，进行了系统的施工技术分析和既有结构位移响应分析。结果表明，采用“竖井横通道交替施工”方案，一方面可以有效控制有轨电车轨道沉降，确保有轨电车正常运营；另一方面可以保证竖井与横通道支护结构稳定和安全。在此基础上，本文提出了该施工方案下具体的施工要点。以上研究为现场施工提供了理论指导，确保了项目的安全顺利完工，并取得了极大的经济效益。