地铁车站暗挖厅邻近既有线施工技术研究

岳长城

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

0 引言

随着北京市城市建设的不断推进，北京市城市轨道交通已由平面线状向立体网状发展，既有线路附近修建新的地铁车站及换乘通道区间等工况层出不穷。新建地下暗挖售票厅及换乘通道区间对既有线路的稳定性影响亟待深入研究，因此针对此种特殊工况，开展相应的施工技术研究对我国城市轨道交通的建设与发展具有重要的现实意义。

采用数值模拟方法分析既定的施工方案下地下暗挖工程对既有线路的影响，同时通过监测数据分析，判断施工方案的合理性，是有效便捷且经济的研究方法[1-7]。本文以北京地铁4号线宣武门站西南象限增设暗挖售票厅邻近4号线西南出入口为工程依托，对工程背景、水文及工程地质条件、工程风险和施工方案进行了详细介绍，并利用Phase2有限元软件对既定施工方案进行了数值模拟，验证了施工方案的可行性，对类似工程的施工具有一定参考意义。

1 工程概况

北京地铁宣武门站位于北京市二环以内的中心老城区，宣武门东、西大街与宣武门内、外大街的交叉路口处，宣武门站是4号线与2号线的换乘车站，两个车站呈“十”字形相交，4号线下穿2号线。在西北、东北、西南象限新建3条换乘通道，同时在4个象限增设地下售检票厅，如图1所示。

图1 地铁宣武门站概况

2 工程地质及水文条件

拟建工程位于永定河冲洪积扇的中上部，地貌上处于古金沟河古河道与古漯河古河道交叉部位，根据场地实测地面高程数据，场地地形总体基本平坦，勘察钻孔地面标高在43.930～45.400m，场地勘探范围内的地层自上而下可划分为人工填土层、第四纪冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层，特殊性岩土主要为填土层，无湿陷性黄土、膨胀土及残积土等特殊性岩土分布，拟建场地不存在影响场地整体稳定性的不良地质作用，基本适宜本工程建设。

拟建场地在勘察钻探深度30m范围内实测到3层地下水：①上层滞水稳定水位埋深为3m，稳定水位标高43.930m，含水层主要为黏质粉土填土层与杂填土层，随季节、大气降水及地表水的补给变化而变化；②潜水层稳定水位埋深为16.000～17.500m，稳定水位标高29.430～31.610m，含水层主要为细中砂层，潜水的动态与大气降水关系密切；③层间水稳定水位标高24.410m，含水层主要为卵石圆砾层，层间水的动态主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流的方式排泄，层间水的动态比潜水稍有滞后，当年最高水位出现在9—11月，最低水位出现在6—7月，年变幅为1～2m。各层地下水对混凝土结构及钢筋结构的腐蚀性均微。

3 西南地下暗挖厅施工风险与施工方案

3.1 施工风险

西南象限设置1座售检票厅及施作连接既有2号线及4号线的换乘通道，由于受场地限制，且场地内地下管线较为密集，而部分管线改移可行性又较小，故考虑采用暗挖法施工，同时设置1座施工竖井及横通道。暗挖厅为单层双跨拱顶直墙断面结构，采用中洞法施工，结构开挖跨度14.9m，开挖高度7.3m，结构初期支护与4号线西南口的水平净距约1.8m，风险等级为一级，其位置关系如图2所示。

图2 西南新增暗挖厅与既有4号线车站平面位置关系

3.2 总体施工方案

为确保既有4号线的安全运营和地下暗挖厅的顺利施工，根据西南象限暗挖售票厅与既有4号线西南出入口的位置关系，暗挖厅施工方案设计采用中洞法施工，并对拱部及侧壁初支外侧1.5m、内侧0.5m范围内的土体进行深孔注浆加固，同时确保开挖支护刚度，控制开挖步距0.5m，暗挖施工严格按设计执行开挖留核心土、超前小导管超前支护、打设锁脚锚管、设置临时仰拱、及时回填注浆等辅助工法，并在施工期间进行全程监测，通过监控量测，反馈现场施工及设计。

4 西南地下暗挖厅施工工艺

西南地下暗挖厅为单层双跨拱顶直墙断面结构，采用中洞法[8-10]施工，结构开挖跨度14.9m，开挖高度7.3m，暗挖地下厅具体施工步骤如下。

4.1 导洞开挖

暗挖售检票厅施工时断面分6个导洞开挖，采取先中导洞再边导洞、先上部导洞再下部导洞的开挖顺序，导洞间保持1.5倍洞径步距。各导洞采用台阶法开挖，先上断面再下断面，相互错开≥5m，满足步距后同时并进开挖。导洞开挖施工工序为：小导管注浆→格栅加工、土方开挖→格栅安装、网片安装(纵向连接筋焊接及锁脚锚杆)→喷射混凝土。

4.2 底纵梁施工

导洞开挖完成封端后处理基面，施作防水并铺设防水保护层，底纵梁钢筋安装时需要预留底板的钢筋接驳器，同时预留中柱钢筋，保护好导洞侧墙预留的防水板，底纵梁高2.4m，钢筋较密，浇筑混凝土时加强振捣，确保混凝土密实。

4.3 构造柱施工并施作顶纵梁

售检票厅中柱施工时需要搭设满堂脚手架保证中柱的垂直度与位置准确，同时为后期顶纵梁施工提供平台。构造柱柱模板两侧加固需满足要求，以承受节点弯矩。中柱施工完毕，强度足够后进行顶纵梁施工。顶纵梁施工工艺流程为：施工准备(中柱完成、脚手架地基平整)→底模脚手架搭设→内外楞方木铺设→底面钢模板铺装→顶纵梁钢筋绑扎(需注意防水及防水板保护)→拱部钢筋绑扎、预留→拱部钢筋头保护→侧面弧形模架安装加固→浇筑混凝土。

1)基层处理

梁底脚手架安装之前，铺垫厚度≥50mm的脚手板，脚手板的铺垫长度不得小于立杆的两跨。

2)梁下钢管脚手架支撑

脚手架必须从下导洞底纵梁顶面开始搭设至上导洞临时仰拱，加固牢固后再搭设至顶纵梁底面。脚手架采用φ48mm钢管，立杆横向间距为400mm、纵向间距为600mm、步距为600mm，最上层横杆距离最下层方木距离为246mm，下层扫地杆距离地面高度为200mm。梁底内楞和外楞均采用100mm×100mm方木，下层方木横向布置，纵向间距为750mm；上层方木纵向布置，横向间距为300mm。梁底脚手架支撑横剖面如图3所示。

图3 顶纵梁下钢管支撑横剖面

3)底模配置

梁底采用6015钢模板，靠近中柱位置采用2张9015钢模板，并定做成柱形，与中柱柱帽形成完整的拼装。梁底钢模板之间采用φ12螺栓连接，钢模板总厚度为55mm，成型之后，尺寸误差≤1mm，平整度≤1mm。底模方形模板定做时，预留3mm空隙，拼装时采用密封胶条密封缝隙，在靠近中柱位置，应增加下层斜向放置的方木，确保异形模板不悬挑。

4)侧面模板及支撑

顶纵梁侧面为弧形结构，根据顶纵梁的结构形式，侧面采用I18定做模架，纵向间距750mm，横向下端固定在梁底的横向方木上，上端靠近中洞初支墙面并用垫块垫平。采用3道φ22纵向连接钢筋与钢模架焊接，间距约为500mm。采用6015弧形钢模板，每侧各设置3块模板(1块转角模板、2块6015模板)，侧面模板与底模采用φ12螺栓连接。弧形模架下方支撑采用双排钢管脚手架，搭设规格为600mm×750mm×600mm，脚手架最外侧距离中洞侧墙150mm。由于外侧立杆自由端长度较长，在外侧立杆上部设置纵向通长钢管，控制自由端长度在400mm以内。

5)顶纵梁混凝土浇筑

顶纵梁采用HBT60混凝土输送泵，采用商品混凝土浇筑，地泵置于竖井口地面，泵管从竖井口进入横通道，再接至纵梁施工作业面，泵管设置在顶纵梁钢筋上方，沿顶梁纵向铺设，依靠泵送混凝土的压力进行灌注，每隔6m左右拆除1次泵管。

混凝土浇筑前检查回填注浆管位置并进行加固，注浆管采用φ32钢管，间距≤5m；浇筑时加强对梁顶防水板的保护，不得破坏；在顶纵梁达到100%强度要求后方可拆除底模及支撑。

4.4 开挖边导洞

顶纵梁强度满足要求后开始边导洞开挖，边导洞开挖前需注浆加固开挖面拱部土体。先施工南侧边导洞，后施工北侧边导洞，两侧导洞施工间距错开至少20m。由于中导洞开挖过程中预埋了扣拱预埋钢板(钢筋)，因此必须严格控制边导洞、中导洞的格栅架设步距，确保3个导洞扣拱预埋钢板(钢筋)连接点在同一里程面。为确保格栅安装效率，开挖土体高度不宜过高，2m左右为宜。施工中预留初支背后注浆管，进行初支背后注浆。

4.5 施工边导洞二次衬砌结构

边导洞开挖完成且初支混凝土强度足够时，进行边导洞二次衬砌结构施工。底板厚度为700mm，为减少混凝土伸缩裂缝及保障初期支护体系的安全，每次浇筑长度4～6m，并通过科学调整混凝土的配合比，掺加多功能膨胀型防水剂与粉煤灰，有效降低混凝土的水化热，同时辅以有效的浇筑和养护方法，从而达到控制混凝土温差收缩裂缝的效果。

侧墙完成浇筑且混凝土强度满足要求后可施作顶板二次衬砌，二次衬砌施工前首先需破除中导洞隔墙，严格按相关要求处理好接茬部位的防水保护、基面处理等工作，避免后期渗漏水。

施工边跨拱部二次衬砌时为防止混凝土灌注对顶纵梁形成偏压，灌注口设在拱部，端头堵头板埋设回填注浆管兼作排气管，采用高性能抗振商品混凝土，对称浇筑以免偏压。

4.6 无障碍出入口通道破除

暗挖厅边导洞施工前，无障碍出入口停运，并做好和出入口接口处的封堵隔离，采用240mm砖砌隔离墙并进行抹面处理，通道内搭设满堂脚手架。

边导洞上层导洞开挖完成后开挖下层导洞，通道结构随开挖逐榀破除，并逐榀拆除满堂脚手架，直至开挖完成封端。开挖完成后施作二次衬砌结构。

5 地下暗挖厅对既有邻近线路的影响

5.1 数值模型建立

为了全面分析和把握地下暗挖厅开挖对既有4号线西南出入口的影响情况，采用Phase2有限元软件，以暗挖厅与4号线西南出入口2个横断面为研究对象，建立二维模型并对地层进行简化，将地层自上而下划分为5层。模型建立的基本原则为地下暗挖厅的开挖与支护均不会涉及模型边界，将暗挖厅开挖视为小孔应力集中问题，计算区域的边界x方向取暗挖厅跨度的4倍，y方向边界取暗挖厅开挖深度的5倍[11]，即模型尺寸定为60m(x方向)×35m(y方向)。模型的边界条件为：侧面和地面均为位移边界，侧面限制水平位移，地面限制垂直位移，上边界为自由边界，如图4所示。

图4 暗挖厅计算模型示意

5.2 材料参数选取与模型计算说明

根据地质勘察报告确定各地层的物理力学参数，如表1所示，暗挖厅开挖初期支护采用C30混凝土，二次衬砌采用C40混凝土，中柱结构采用C50混凝土，拱顶外侧1.5m范围内采用C25喷射混凝土，并进行深孔注浆。

表1 各土层物理力学参数

模型计算采用莫尔-库仑伦准则，地层和材料的应力、应变均在弹塑性变形范围内，模型只受重力场作用，自动生成地应力场，计算时采用程序提供的荷载拆分功能将土体开挖时造成的应力释放分配到各阶段。

5.3 地表沉降

横断面的地表监测点采取暗挖厅拱顶中心向两侧对称布置的方法，取拱顶中心两侧各17.5m作为监测控制范围，各测点间隔2.5m，共计15个监测点进行地表位移实测，同时利用Phase2计算整个模型的位移场，地表各监测点沉降量的实际监测值与计算值如图5所示。

图5 地表沉降量监测值与计算值对比

由图5可知，根据计算值绘制的位移曲线基本呈正态分布，符合经典沉降槽理论，计算值与监测值的大小及分布规律基本一致，验证了计算模型的可靠性和准确性。

由于邻近暗挖厅的4号线西南出入口的存在，地表沉降量最大值点并非在暗挖厅拱顶中心位置处，最大位移点位于地下暗挖售厅拱顶中心向右约5m处，同时最大位移值约为15mm，符合工程设计初期既定的结构最大沉降<20mm的要求，同时暗挖厅拱顶中心与既有4号线西南出入口中心的沉降量差异值约为3mm，符合工程设计要求，支护结构有效改善了土体变形，确保了暗挖厅工程施工期间既有4号线的安全运营。

6 结语

本文以北京地铁4号线宣武门站西南象限新设地下暗挖售检票厅紧邻4号线西南出入口的特殊工况为背景，结合暗挖厅与既有4号线西南出入口的位置关系和工程地质水文条件，详细介绍了暗挖厅的施工工艺和支护措施，利用Phase2有限元软件对暗挖厅横断面的全开挖过程进行了数值模拟，对比分析了地表沉降的监测值与模拟计算值，得出以下结论。

1)暗挖厅与既有4号线西南出入口的垂直间距仅1.8m，结构受力复杂，相互影响较大，本项目在施工前对既有4号线西南出入口结构进行充分调查、检测和评估后，选用中洞法施工技术，并对拱部及侧壁初支轮廓线外侧1.5m、内侧0.5m范围土体进行深孔细导管注浆加固，确保了工程顺利实施并保障了既有线路的安全运营。

2)地表沉降的数值模拟结果与实际监测结果具有较好的一致性，验证了计算模型的可靠性；地表最大沉降量以及暗挖厅与4号线西南出入口的差异沉降量均符合工程设计要求。

3)监测反馈结果与数值模拟结果均表明，最大沉降点位置不在暗挖厅拱顶中心，而在拱顶中心向右约5m位置处，遂决定在地下厅靠4号线西南出入口一侧深孔注浆，对土体进行加固。故在工程实施中，应坚持动态施工先进理念，将位移监测贯穿到整个施工过程中，及时布置测点，并在初支施工过程中加密监测频率，根据监测反馈结果及时调整施工参数。