既有地铁车站换乘节点暗挖段托举施工技术

杨建礼， 杨艳玲

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

随着国民经济的发展，城市地铁建设数量日益增多，地铁路网中必然会有很多线路相互交叉(包括区间与区间的交叉，车站与区间的交叉，车站与车站的交叉等)情况的发生。对于交叉工程，不仅要保证新建项目的本体安全，而且还要确保施工期运营线路的正常运营以及周边环境的安全，工程的设计和施工均相对困难。在交叉段施工过程中，如何确保既有线路运营和结构安全已成为一个紧迫的技术问题[1-3]。在国内，换乘节点的预留多采用两种方式，即预留条件方式和预留结构方式[4-5]。对某一特定城市而言，在地铁建设初期阶段，由于线路规划(尤其层位规划)不到位，往往以第一种预留方式居多。该预留方式，在新增层土体稳定性差及含水量较大情况下，后期施工对既有线的运营安全将产生较大影响，往往成为后期施工的重点和难点。

对于预留条件方式的交叉工程，国内大多通过采取一些辅助工法来实现对既有车站沉降控制的目的。曹德更[6]、宋建[7]等提出采用局部全断面预注浆与洞桩法相结合的手段，可有效控制既有结构的变形、确保地下管线的安全。黄合理[8]、闫朝霞[9]等认为采用浅埋暗挖法过既有线施工时，加强初期支护、注浆加固开挖土体是确保施工安全的关键。张明聚[10]等通过对交叉工程结构动态监测来掌握结构内力状态的变化，并对隧道变形和结构稳定性的影响开展了相关研究。王彦臻[11]等提出在洞内做桩并辅以千斤顶托换技术的施工方法，同时通过多次注浆以保证控制效果。张成平[12]等采用灌浆加固对道床与隧道结构间的脱离区域进行了治理，并通过注浆对既有地铁隧道结构进行了抬升，使既有地铁线路的高程损失得到了一定恢复，最终实现对既有地铁结构沉降的控制。上述案例中所采取的控制技术实际上均为体外措施，而对于交叉车站换乘节点处新、旧结构如何实现连接的问题，并未涉及。目前，常规的做法是在新、旧结构连接处预留后浇带，以适应施工中所发生的不均匀沉降，确保新、旧结构体系的安全。但由于新、旧结构相对独立，并未形成有效的、相互制约的整体结构体系，受新建结构下穿暗挖施工效应影响，既有结构变形控制难度相对较大，容易发生变形超限风险。因此，对于预留条件下交叉车站工程换乘节点处新旧结构连接问题仍有待进一步研究。

本文以郑州轨道交通4号线某车站与1号线换乘节点施工为例，采用数值模拟及现场试验手段，研究提出了既有地铁车站换乘节点暗挖段托举施工工法及关键施工技术，并通过既有车站结构变形和新旧结构连接段混凝土的应力监测结果，对工法的可靠性进行了验证。

1 工程概况

郑州市轨道交通4号线会展中心站车站主体结构设计为三层三跨矩形框架结构，与既有地铁1号线换乘站呈T字换乘，其中下穿既有1号线车站采用暗挖法施工，如图1所示，长度为23.9 m，底板埋深28.0～32.9 m。既有1号线车站施工过程中，在底板下设置了两排800 mm厚地下连续墙，且预留了打开条件。

换乘节点处地层以粉砂层为主，上部局部为黏质粉土，下部局部为细砂层。该处地下水主要为微承压水，主要赋存于粉砂、细砂层含水土层中，含水层顶板埋深15.0～20.5 m。

根据相关技术规范要求[13]，运行期间地铁结构最大沉降值不应超过20 mm；第三方评估单位通过对既有1号线结构运营监测数据分析，建议换乘节点暗挖施工阶段既有结构允许最大沉降量为7.5 mm，并将换乘节点施工段设定为一级风险工程。

2 下穿段施工方案比选

2.1 比选方案简介

为确保换乘节点施工安全，施工前研究拟订了两个施工方案。

方案一：按常规地铁车站换乘节点整体预留后浇带施工模式，新旧结构连接端围护结构待暗挖段结构施工完成后整体破除，并从下到上依次施工后浇带。

方案二：既有车站围护结构随新建车站基坑开挖而逐渐破除，新建车站的负一层、负二层板墙与既有结构板墙之间取消后浇带，直接采用刚性连接，新旧结构连接端仅在新增层(负三层)位置预留后浇带，新增层位置后浇带待暗挖段结构施工完成后再进行施工。

2.2 施工力学效应数值模拟对比分析

为对比分析两种方案下既有车站结构的变形、受力特征，采用有限差分法对施工过程进行了模拟研究。计算模型71.4 m(长)×74.9 m(宽)×55.4 m(高)，共划分591 039个单元。模型中，基坑钢支撑选用梁单元，喷射混凝土选用壳单元，土体、地下连续墙及主体结构等均采用实体单元进行模拟。除地表设置为自由面外，模型其他各面均采用法向位移约束边界。其中负一、二层后浇带部位直接采用单元进行刚性连接，具体模型如图2所示。计算模型中地层和结构物理力学参数分别见表1、表2。

图2 数值计算模型

表1 地层物理力学参数

换乘节点施工结束后，既有1号线车站底板道床竖向沉降曲线如图3所示；既有结构与新建结构连接处剪应力、拉应力分布如图4～图5所示。

根据计算结果可得：①与方案一相比，方案二沉降控制效果优势明显；②施工结束后，方案二的既有结构和新建结构连接部位剪应力略有增大，但未超出混凝土极限强度值，结构受力安全；③对于方案二，在负一、二层采用刚性连接可有效减小暗挖施工引起的结构沉降，弱化对暗挖控沉的依赖性，优于方案一。

表2 建筑构件物理力学参数

图3 道床位置处底板竖向位移

图4 既有结构连接处剪应力分布

图5 新建结构连接处板拉应力分布

2.3 技术经济效益比较

根据数值模拟并结合本工程的特点，两方案的技术经济效益比较结果如表3所示，可以明显看出方案二的技术经济指标优于方案一。

表3 两种方案技术经济综合比较

综上，方案二充分利用了基底厚砂层无明显流变特性的工程特点，在确保新、旧结构连接节点强度安全的前提下，通过取消换乘节点两侧明挖结构施工过程的后浇带，将新建结构与既有结构连成整体，从而对既有车站结构形成托举效果，能够实现有效控制施工变形目的，并可在一定程度上降低暗挖过程临时支护及土体加固要求，节约施工成本，同时缩短了由于新旧结构间后浇带单独施工所需要的工期，故推荐该方案为首选实施方案。

3 换乘节点暗挖段托举施工技术

换乘节点暗挖段托举法施工工艺流程如图6所示。

3.1 基坑开挖技术

既有换乘节点两侧明挖段基坑采取分层对称开挖，分层高度不大于1.5 m，随挖随撑，保持既有结构两侧土压平衡，减少基坑开挖过程对既有结构的影响。在开挖过程中每开挖1.5 m及时对后期需要破除的地下连续墙采用绳锯切割分块吊出，需暗挖部分箱体两侧围护结构暂不破除，以保证既有箱体内部土体和上部结构的稳定。

图6 施工工艺流程

3.2 上部结构与既有结构连接技术

为保持既有车站结构的稳定，新建车站主体结构负一层、负二层边墙、板分别与既有车站相应结构的钢筋采用套筒连接(前期施工预留接驳器)或植筋连接(前期施工未预留接驳器)，浇筑混凝土使新建结构与既有结构连成整体，从而形成暗挖段施工过程的新建结构对既有结构的托举体系(负三层结构待新增层暗挖段结构完成后，以后浇带形式与暗挖段结构连接)。施工期间必须加强新旧混凝土界面处理及既有结构钢筋与新建结构钢筋的连接质量。

3.3 暗挖段降水、加固

充分认识在封闭箱体内“单纯注浆外压无法释放，注浆压力累加易造成既有结构隆起；单纯降水，封闭空间内的土体二次固结收敛，造成既有结构下沉”的特点，采用水泥—水玻璃双液浆超前加固土体+真空降水同步进行，同时采用孔隙水压力计对降水及注浆全过程进行监测，保持整个注浆、降水过程封闭结构内压力平衡，以减少降水及加固过程对既有结构的隆沉影响。降水加固标准：钻孔取芯探孔无水流出，土体加固强度≮1 MPa，保证土体开挖过程自稳能力和暗挖段初期支护封闭前中间土体对既有结构提供适当的承载能力。暗挖段注浆、降水、测压孔位布设如图7所示。

图7 暗挖段注浆、降水、测压孔位布设

3.4 暗挖段开挖、结构施工

暗挖段土体开挖施工需在两侧明挖段结构强度达到设计要求、对既有结构形成有效托举作用并且暗挖段土体加固降水效果达到要求后进行。暗挖段施工采用两侧导洞先行、后中间土体开挖的工法，地连墙分部破除后，暗挖段土体左右两侧导洞采用台阶法开挖，开挖完成后分组施作底板及侧墙。待两侧导洞内底板及侧墙施工完成对既有1号线结构形成支撑体系后，再进行中部土体分台阶开挖及底板施工。暗挖段内部南北两侧地连墙位置分别预留2 m后浇带待暗挖段结构施工完成后与明挖段结构进行连接。

4 施工沉降与受力监测

4.1 监测内容

(1)既有车站道床位移监测：施工过程中，采用测量机器人三维坐标监测+静力水准竖向位移监测两套自动化监测系统，对既有1号线站内道床沉降进行实时监测。

(2)新旧结构连接部位应力监测：在既有1号线车站与新建4号线车站连接端选择5个断面安装混凝土应变计、混凝土表面应变计，便于后期暗挖段土体加固、降水及开挖过程对新旧混凝土交接处结构应力进行监测，以指导隧道暗挖段施工。测点布置如图8所示。

图8 新旧混凝土连接部位应力测点布置

(3)暗挖段主要进行收敛变形监测。

4.2 监测结果分析

4.2.1 既有线路监测

选取暗挖段上方中部和左、右两侧三个断面对应的左线和右线上道床沉降变形进行了重点监测，各个施工阶段对应的竖向变形规律如图9、图10所示(图中施工阶段：1为换乘节点注浆、2为左导洞开挖及支护、3为右导洞开挖及支护、4中间洞门剩余地连墙破除、5为中间底板混凝土浇筑、6为全部施工完成)；施工结束后上、下行线多点沉降监测结果如图11所示。监测结果显示先开挖导洞上部的上行线道床沉降最大值1.98 mm，较后开挖导洞上部的下行线道床沉降最大值1.60 mm稍大，但各测点最大沉降均远低于设计允许沉降量7.5 mm，说明整个施工过程未影响既有线运行安全。

4.2.2 新旧结构连接部位应力监测

暗挖隧道开挖2018年7月1日开始到2018年8月15日完成，对新旧结构混凝土应力监测持续到2018年12月29日，新旧结构连接位置处的混凝土最大拉应力为0.95 MPa，未超过混凝土极限拉应力，且已无增大趋势，现场巡查新旧混凝土接触面附近无裂纹产生。

图9 左线道床沉降

图10 右线道床沉降

图11 既有1号线影响段上、下行线静力水准监测值

4.2.3 暗挖段施工内部变形监测

通过整个暗挖施工过程数据分析，暗挖段初支收敛左线左侧导洞最大值3.74 mm，右线右侧导洞最大值4.24 mm，满足规范及设计相关要求，隧道开挖过程安全可控，如图12所示。

图12 净空收敛累计变化值

5 结论

(1)在换乘节点两侧明挖结构施工过程中，直接将新建结构与既有结构的负一、二层连成整体，可实现对后续暗挖施工引起的既有车站沉降的托举作用；在满足施工安全的前提下，也起到节约施工成本的目的。

(2)托举法的关键施工技术包括基坑开挖技术、新旧结构的连接技术、暗挖段降水、加固技术和暗挖段开挖、结构施工技术。

(3)数值计算和现场实测结果表明，采用托举法施工可同时保证既有车站运行和结构受力安全。

(4)托举法的使用具有一定的前提条件，即基底为承载力较高、无明显流变特性均质地层(如砂层)且工后差异沉降小；施工前，应在理论分析与监测明挖段施工引起的沉降发展的基础上进行方案选用。