新建地铁车站下穿既有线的方案研究及施工措施

刘露超 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 前言

随着我国城市规模和经济建设的飞速发展，城市化进程逐步加快，城市人口急剧增加，对城市交通运输的压力越来越大。而轨道交通已经成为人们出行的一种主要交通方式，对城市的交通疏导发挥着无法取代的作用。轨道交通建设除了考虑自身因素外，还需要考虑与既有线路的关系，包括下穿既有线路、上穿既有线路和平行既有线路等。在三种关系中，下穿既有线路无疑是影响最大的一类，一旦发生问题将会影响既有线路的运营通车，导致破坏性的后果。而一旦轨道交通发生破坏并且影响了运营的要求，将会对社会效益和经济效益产生极大的危害，因此需要对新建轨道交通工程下穿既有线路的设计、施工进行分析研究，以保证既有线路的安全运营。

由于城市规划调整或建设理念等原因，大部分既有线的建设并未对规划线路进行穿越条件的预留，势必造成后期新建线路必须采用临近施工的方式穿越既有线。在上述情况下如何保证既有线安全运营以及新建轨道交通结构本身的安全是必须解决的两大难题。本文以合肥市轨道交通某换乘车站为例，在综合研究国内外下穿既有线工程实例的基础上，经过对各施工工法的研究比选，确定了下穿既有线暗挖段的结构体系选型和施工工法。并通过三维有限元模拟计算验证了方案的合理性。最后对暗挖段施工的关键工序提出相应的施工措施，同时对既有线的保护提出相应的控制措施。以期能对后续同类工程的方案设计和施工工法提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 车站概况

合肥市轨道交通紫庐站为1号线与7号线十字交叉换乘车站，1号线实施时考虑到远期7号线的不确定因素较大，1号线紫庐站未对换乘做任何预留。

1号线紫庐站沿庐州大道南北向布置，为路侧浅埋侧式车站，车站主体为地下一层三柱四跨钢筋混凝土箱型结构，车站两端设下沉式广场，两侧侧墙延伸至地面兼做下沉式广场挡土墙，全部采用明挖顺作法施工。有效站台中心处覆土厚约3.1m，车站外包总长167.5m，标准段外包宽度为25.8m，标准段底板埋深约11.15m。1号线紫庐站已于2016年开通运营。

7号线紫庐站沿紫云路路中东西向布置，为地下二层岛式站，暗挖段车站主体为地下一层双柱三跨钢筋混凝土箱型结构。有效站台宽14m，车站总长554.75m，标准段总宽22.9m。穿越既有轨道交通1号线采用暗挖法施工，暗挖段两端车站采用明挖法施工。

1.2 工程、水文地质概况

1.2.1 工程地质概况

根据本项目岩土工程勘察报告，拟建工程范围为二级阶地地貌，车站范围内自上而下土层依次为：①人工填筑土：稍湿，稍密，层厚0.4m～4.1m；①素填土：以粘性土为主，可塑～硬塑状，层厚0.5m～5.8m；③硬塑状黏土：干强度高，韧性高，该层稳定，连续性较好，层厚3.7～36.7m；③硬塑状粉质黏土：干强度高，韧性高，该层稳定，连续性较好，层厚1.5～6m；⑤全风化泥质砂岩、泥岩：风化成硬塑～坚硬状，层厚0.6m～15.8m；⑤强风化泥质砂岩、泥岩：岩质软，遇水易软化，失水后开裂明显，钻孔揭露层厚0.7m～7.7m；⑤中风化泥质砂岩、泥岩：岩质软，手捏可碎，遇水易软化崩解，岩体较破碎～较完整，埋深较深。

地层物理力学特性指标详见表1。

土层物理力学参数表 表1

1.2.2 水文地质概况

场地范围内地下水类型为孔隙水和基岩裂隙水。本工程岩层较深，无砂层，地下水以孔隙水为主，主要位于第四系人工填土层、粘性土层中。其中粘性土层为不透水～弱透水层，富水性弱，水量贫乏。人工填土中赋存少量上层滞水。根据钻孔揭露，地下水埋深0～5.6m。

图1 紫庐站总平面图

图2 平顶直墙CRD中洞法工艺技术

图3 紫庐站暗挖段纵剖面图

图4 紫庐站暗挖段横剖面图

2 方案设计

2.1 工法优选

关于暗挖法下穿既有线在我国已有大量的工程实例及丰富的研究成果，近年来主要的工程实例及其使用的工法、相关措施汇总如表2。

国内主要暗挖下穿既有线工程实例汇总表 表2

在综合研究以往下穿既有线工程实例的基础上，经过对各施工工法的研究比选，本工程下穿既有线决定采用浅埋暗挖平顶直墙CRD中洞法工艺施工，密贴下穿既有车站。

浅埋暗挖的基本原理是通过对地层的适当加固和处理，合理调动围岩的自承能力，采用短进尺开挖，及时施作初期支护结构并封闭成环，使围岩和初期支护结构形成联合支护体系以共同承担施工阶段荷载，在变形基本稳定以后施作二次衬砌。初期支护承担全部基本设计荷载，二次衬砌作为安全储备。这种先柔后刚的复合式新型支护结构体系较好地克服了暗挖工程中的不可预知性。

而CRD中洞法遵守“小分块、短台阶、早成环、环套环”以及“竖向留坡、纵向错台”的施工原则，施工时分块施工，优先构筑竖向支撑结构构件。首先施工中洞，在完成中洞的初支后，立即施作该部分的二次衬砌，通过中洞的梁柱体系减少暗挖变形，实现对地层的刚性支撑，能较好控制初支沉降变形及保护邻近构筑物。中洞施工完成后两侧导洞对称施工，以解决从中洞初期支护转移到梁柱上时产生的不平衡压力问题，两侧导洞的悬壁板（梁）采用钢支撑进行临时支护。CRD中洞法能够有效控制变形发展，比较容易控制施工引起的地层沉降，减少对既有轨道交通的影响。

2.2 设计参数

本工程车站暗挖下穿段采用直墙平顶单层三跨矩形断面的形式，暗挖结构由钢格栅+喷射混凝土的初期支护和模筑钢筋混凝土的二次衬砌构成，两次衬砌之间设柔性防水层。暗挖施工前打设管棚和超前小导管。暗挖段结构参数见表3。

暗挖段结构参数表 表3

2.3 计算分析

采用MIDAS-GTS有限元分析软件，建立三维有限元模型，对暗挖施工引起周围地表、既有车站沉降进行计算分析，三维数值模型如图5所示。

图5 三维数值模型

计算结果如图6。

图6 隧道施工后地表竖向位移云图

根据计算结果，暗挖下穿段施工完成后，地表最大沉降量为4.0mm，暗挖施工引起的地表沉降满足规范要求。

根据计算结果，暗挖下穿段施工完成后，既有车站最大沉降量为2.2mm，最大水平位移为0.4mm，计算结果表明暗挖下穿段在施工过程中对既有车站的影响满足既有车站保护要求，因此采用平顶直墙CRD中洞法密贴下穿既有1号线车站，能保证既有车站的安全，方案可行。

3 工程重难点分析

本工程车站换乘交叉节点位置，7号线密贴下穿既有1号线。既有1号线车站为单层四跨平顶直墙结构，高7.86m，顶板覆土厚度约3.1m。新建7号线车站暗挖段为单层三跨平顶直墙结构，宽度22.9m，高7.25m，下穿段长度30.2m。7号线下穿段车站顶板与1号线车站底板净距0.73m。通过对设计方案和施工工法的研究，以及合肥地区相关暗挖工程的调研，本工程暗挖施工的重难点主要有：①暗挖施工期间需保证1号线的正常运营，因此既有1号线的沉降控制要求非常高（约5mm内）；②本工程暗挖段所穿越的地层为黏土及粉质黏土层，无砂层或其他透水层，且无地下水。根据以往工程经验，合肥地区的黏土虽然自身强度较高，但注浆效果差。若对掌子面进行大范围深孔注浆，不但难以达到注浆效果，还可能造成既有车站底板隆起。因此需优先考虑刚度大的超前初期支护，如型钢格栅钢架、管棚/管幕等。③暗挖段掘进方向与既有车站侧墙、底纵梁垂直，因此既有车站结构向下传导的内力并不是完全均匀的。

4 主要施工措施

针对上述本工程的重难点，对暗挖段施工的关键工序提出相应的施工措施。

4.1 开挖步序要求

①每个导洞分别采用台阶法开挖，一般循环进尺长度0.5m，下穿既有车站墙体、底纵梁时循环进尺长度0.35m；②开马头门前，暗挖段顶部需先打设管棚支护。施工每个导洞前，每个导洞侧边施工拱部小导管超前支护；③初期支护收敛稳定后，在初期支护背后注浆，使初期支护与地层及既有1号线车站底板密贴；④在喷射混凝土表面进行砂浆找平，铺设防水层后自下而上灌注二次衬砌。顶部二次衬砌预留压浆孔，保证初期支护与二衬之间密实。

4.2 锁脚锚管要求

根据施工步序，每个台阶设置锁脚锚管，一处打设一根，以防止格栅钢架架设后下沉。

4.3 初支背后注浆要求

初期支护完成后应及时进行初支背后注浆，保证初支背后密实。注浆距开挖工作面5米的地方进行。初支顶部注浆管注浆完成后，需保证与既有1号线车站结构底板之间没有空隙，以减少既有车站的沉降变形。

5 既有线保护措施

①严格遵循“管超前、严注浆、强支护、短开挖、早封闭、勤量测”的施工原则，做到随挖随支。施工中应加强对新建暗挖段及既有车站结构的监控量测，并及时反馈信息，以根据实际情况修正设计参数，确保施工安全。

②当开挖至既有车站结构的侧墙及底纵梁时，需加强监控量测，加密格栅钢架，减小开挖步长，及时施作二衬结构墙、柱，对既有车站进行有效支撑。同时初支及二衬背后应及时填充注浆。

图7 暗挖施工后车站结构竖向位移云图

图8 暗挖施工后车站结构水平位移云图

③暗挖段两侧明挖基坑范围内的衬砌结构施作到顶板，且马头门上方施作超前加固措施之后，方可破除马头门，施作车站暗挖段。

④提前打设刚性超前支护管棚及小导管，缩短施工进尺，及早封闭支护，减少施工对地层的扰动。

6 结语

合肥市轨道交通7号线紫庐站下穿既有线车站结构的设计、施工，在合肥市尚属首例。经过多方面的对比论证，并对施工过程进行三维有限元模拟分析，暗挖段结构形式采用平顶直墙，施工工法采用浅埋暗挖CRD中洞法工艺密贴下穿既有车站，能够有效控制既有车站和地表的沉降变形，能够保证既有线的安全运营和新建车站结构自身的安全。为日后同类工程的方案设计和施工提供了参考。