地铁车站密贴下穿既有线施工技术

王有旗

(中铁二十五局集团第五工程有限公司 山东青岛 266000)

1 引言

大城市地铁建设网络正逐渐密集化，中心枢纽区的地铁车站建设将越来越多地面临交叉穿越情况。北京市2050年远期轨道交通建设规划中，车站和地铁区间换乘节点高达118处。下穿既有结构不论是设计还是施工方面，都具有较高的难度和风险。当前城市地铁建设快速发展，车站跨度在逐步增大，新建结构与既有结构距离越来越近，需要更加安全、快速的施工方法，以满足未来更高标准的下穿既有线工程施工。本文以北方某地铁车站零距离下穿既有轻轨隧道为依托，采取了深孔注浆、六导洞法暗挖、主动顶升、位移监测等关键施工技术，成功实现了大断面平顶直墙车站下穿既有线。

2 工程概况

2.1 车站概况

北方某岛式换乘地铁站位于城市快速路交叉口广场处，南北走向，施工方式为两侧明挖，中间下穿段暗挖。既有线为城市轻轨隧道，东西走向，与新建地铁车站基本正交。下穿段地铁站位于既有隧道两端变形缝之间，如图1所示。车站下穿暗挖段为双层三跨平顶直墙结构，截面宽度为21.7 m，长度为18.2 m，车站顶板与既有轻轨隧道底板密贴。

图1 卫星广场站与既有轻轨平面位置关系

2.2 工程地质与水文条件

车站站址场区为岗阜状高平原地区。地势较高，呈岗阜状起伏，自丘陵前缘向平原微倾斜。主要由亚黏土和黄土状亚黏土构成，局部出露中生代沉积的碎屑岩。

场地主要有三层地下水，第一层为表层孔隙性潜水埋深3.50～4.00 m，有明显的丰、枯水期变化，水位浮动平均值2.00 m。第二层为浅层承压水，水位变化与季节无明显相关，微承压水头为2.60～3.50 m。第三层岩石裂隙水，无稳定水位，主要接受上层承压水的渗透补给及侧向的径流补给，排泄方式主要为相对含水层中的径流形式。

3 卫星广场站下穿施工技术难点

城市地铁下穿既有隧道不仅要考虑新建工程的作业安全和效率，还要保证下穿过程中既有结构的安全和线路运营要求。

暗挖法施工工作面开敞，应力释放大，开挖产生的土体变形、沉降，容易引起周边结构物发生剪切、拉伸和扭转，严重时发生结构破坏等安全事故。既有线列车运行冲击和轨道振动也会对暗挖和衬砌结构施工造成影响，加大地层的变形，进而会对既有结构产生更大的破坏[1]。本工程主要的技术难点在于:

(1)卫星广场站暗挖下穿过程中，导洞支护、群洞间岩土体、既有隧道底板关系密切，变形和荷载在三者之间互相传递、互相影响。导洞开挖后地层松动，竖向荷载由初期支护、洞间土体共同承担[2]；地层变形直接向上传递给轻轨底板，底板在支撑条件改变和地层变形作用下，产生内力重分布和附加变形，进一步影响既有线道床。

(2)导洞支护结构与既有隧道间缺少缓冲土层，开挖时的地层变形直接影响既有隧道结构，导洞间预留的土柱和初期支护的承载情况直接决定了上部既有隧道结构受力的优劣程度[3]。

(3)平顶直墙结构无法形成近似拱形的局部承载结构，暗挖施工各个导洞引起的应力重分布情况复杂[4]，土体塑性变形区域叠加过程更易受到土质、开挖土方量、初期支护背后密实程度、既有轻轨隧道底板的沉降影响。

(4)暗挖车站开挖范围位于既有轻轨隧道两条变形缝之间，且东侧变形缝下方直接形成临空面，隧道下部的支撑条件不足，沉降也很容易造成附加内力过大，威胁轻轨结构安全[5]。

4 深孔注浆加固

下穿施工过程中对保障既有线安全运营措施的要求极为严格，控制车站施工过程中的沉降技术复杂且风险很高，采取深孔注浆坚固可以有效进行土体加固，可靠性较高[6]。卫星广场站下穿既有轻轨段采用洞桩转换支撑体系，利用深孔注浆加固地层，并利用注浆主动抬升地层以达到补偿沉降的目的，再结合动态顶升控制技术，综合控制既有结构沉降量[7]。

将待开挖土体在横剖面上划分为上下两部分，其中上半部分4个洞室，下半部分2个洞室，如图2所示。开挖前，首先对上半部分范围内进行注浆加固，加固完成后先开挖上半断面两侧洞室，再开挖下半断面两个洞室，最后完成上半断面中间两导洞施工。待上半断面每个洞室开挖完成后即进行洞内钻孔灌注桩施工，待钻孔桩达到设计要求强度后，进行桩顶冠梁施工，并在边导洞冠梁上施加千斤顶，对既有线结构进行顶撑保护，最后完成结构二衬，下穿段结构施工完成。

图2 车站暗挖下穿既有线横断面图

注浆打孔在围护桩间打入，每个围护桩间分三个角度水平打入3根或4根不等。最小长度东西两侧5.3 m，最长15 m，注浆加固范围开挖方向14.8 m，注浆纵向间距0.8 m，注浆采用分区分段方式进行，初始注浆压力0.3～0.5 MPa，终压注浆压力1～2 MPa，采用水泥-水玻璃双浆液[8]。

注浆加固宽度覆盖了整个轻轨底板，自动化监测结果显示轻轨底板在注浆后产生抬升，轻轨左右线的抬升高度有一定差别。轻轨底板南侧和中线上的监测点抬升高度在8～11 mm之间，轻轨底板北侧上的监测点抬升高度在1.5～2.5 mm之间。

5 下穿施工顶升动态控制沉降技术

5.1 顶升沉降控制机理分析

1号和4号导洞贯通后，施作钻孔灌注桩，直径1000 mm＠1800 mm，成孔深度18.46 m，底板以下长度10 m。成桩后，桩顶施作L形冠梁，每个冠梁上架设5个100 t级液压同步千斤顶。桩顶冠梁为现浇钢筋混凝土结构，与钻孔灌注桩通过配筋连接，二者形成稳定可靠的支撑。

下穿施工导致既有结构发生沉降，表面上是变形的问题，实质上是开挖导致土体和既有结构之间荷载重新分配和传递，继而产生不均匀沉降的过程。导洞开挖、施作初期支护过程，是导洞内土体应力边界条件改变并重新达到平衡的过程，地层损失和地层变形是不可避免的[9]。

千斤顶顶升辅助荷载传递体系建立后，控制了边导洞范围内的沉降，在不考虑顶升集中力作用时，东侧变形缝处的沉降是很大的。施加顶升集中力后，既有结构的沉降得到了补偿，轻轨结构基本恢复到了开挖前的初始位置。在整个开挖过程，千斤顶可以对轻轨底板的沉降进行直接的调整，是一种主动的沉降控制手段。

随着车站土体开挖，荷载只能在未开挖土体内传递转移，相应的地层变形也较大。顶升辅助荷载传递体系建立后，附加荷载通过千斤顶支撑传递到冠梁，继而向围护桩深部传递，有效发挥边桩的承载能力，改善了车站土体的受力状态[10]。钻孔灌注桩和冠梁联合支撑结构，与初期支护相比具有刚度大、可靠程度高的特点，类似于在边导洞内建立条形基础支撑，可以为顶升控制体系提供稳定的基础条件。

5.2 顶升轴力历程

在边导洞冠梁支撑体系建立后，根据实时监测的轻轨沉降水平施加稳定的顶升轴力，顶升辅助体系存在时间为从5号导洞开挖之前至施作车站负二层顶板的阶段，覆盖了轻轨产生沉降的主要工况。在实际施工中，同一侧千斤顶的加压水平是相同的，换算得到的顶升轴力也基本相同。两组轴力加载历程有着相似性，在加载初期和末期整体轴力水平偏低，在加载中期轴力水平控制在设计轴力的80%左右，留有一定的调整空间。结合现场施工的具体工况和千斤顶轴力水平，选取位于导洞中间部位的千斤顶，根据施工记录，绘制其轴力加载历程如图3所示。

图3 导洞中部千斤顶顶升轴力历程

6 沉降控制监测结果

沿既有轻轨隧道底板纵向布置7个监测断面，沿横向布置JC1～JC3共3条检测线。重点监测轻轨底板两条变形缝开合度以及底板沉降变形。

6.1 变形缝开合度

动态顶升法的首要目的就是要控制轻轨变形缝两端的沉降差值[11]。轻轨东侧变形缝处于4号导洞开挖的临空面上方，最先开挖暴露，形成闭合结构所需时间最长，是整个下穿过程中的重大危险源之一。在如此长时间内保证变形缝差异沉降达到要求，对动态顶升控制实施是一个严格的挑战。轻轨变形缝开合曲线如图4所示。由于在车站土体开挖前，进行了全断面的注浆加固，导致轻轨底板产生了抬升，两条变形缝均具有初始变形量。

图4 变形缝开合程度记录曲线

从监测结果上看，动态顶升对变形缝开合控制效果良好。两条变形缝均没有出现的剧烈的开合变形，处于连续稳定的状态，最大变形速率不到0.1 mm/月，变形缝开合量始终处于低位。施作顶板之后，监测数据显示，变形缝的开合量均向零值转变，重新回到了注浆加固前的原始的状态。

6.2 顶升沉降控制总体效果

动态顶升工作时段，涵盖了所有导洞开挖、施作中立柱支撑、破除初期支护和预留洞间土、施作顶板的工序，是既有轻轨线底板产生沉降的主要工况。根据施工需要和土体开挖位置，对千斤顶轴力适时调整，很好地控制了底板的沉降量，保持底板变形稳定[12]。

自动监测各测线在不同时期的轮廓线变化历程如图5～图7所示。JC1、JC3线的轮廓形态较为接近，JC2线各测点的变形量在整个施工过程中都比较小。最大沉降位置位于3号导洞上方，最大沉降量为9.5 mm，各施工阶段的沉降量变化速率较为均匀，约为1～1.5 mm/月。从监测数据上看，动态顶升体系对东侧变形缝沉降控制是十分有效的，达到了预期效果。

图5 JC1监线轮廓变化历程

图6 JC2监线轮廓变化历程

图7 JC3监线轮廓变化历程

三条测线分别位于轻轨底板南北两帮和中线位置处，无论是在东西纵向还是南北横向上，整个轻轨底板的沉降形态均有所不同，这与顶升轴力水平，导洞初期支护质量、底板下地基土性质等有着复杂的联系。因此对大断面下穿既有结构工程，可设置多条监测线，以便更加完整地描绘沉降形态。

7 结束语

结合工程实例，介绍了双层平顶直墙密贴下穿既有区间的风险控制技术，介绍了六导洞施工方法。揭示了注浆加固技术原理和施工要点，注浆加固宽度覆盖了整个轻轨底板，自动化监测结果显示轻轨底板在注浆后产生抬升，轻轨左右线的抬升高度有一定差别。分析了动态顶升沉降控制机理，对监测数据和顶升轴力进行记录分析，结果表明导洞上方的测点随开挖位置不同而产生不同程度下沉，但变化量十分有限，既有线地板沉降控制效果良好，满足既定沉降控制指标。