基于结构概念分析法的洞桩法密贴下穿既有地铁站施工力学研究

赵 伟

(中铁十八局集团有限公司 天津 300222)

1 引言

随着我国创新驱动发展战略的持续推进，城市地下空间建设向“人本、绿色、智慧、韧性、透明、法制”的全新建设理念转变。在既有地下空间基础上进行更新改造，实现平面相连、上下互通的网络化拓建，已成为城市地下空间开发利用的必然趋势。地下工程密贴下穿既有地铁站是以城市轨道交通站点为中心进行网络化拓建的重要方式之一，也是地下空间拓建施工中风险较高、技术难度较大的拓建方式。拓建施工改变了既有结构的边界约束状态，影响结构安全和运营安全；同时，既有结构影响地层应力的分配和传递，反作用于拓建结构；拓建结构、既有结构和地层之间相互作用成为城市地下空间拓建施工的重要特征。

在下穿工程的实践中，除了个别工程采用管幕结构法[1]等新工法外，以小扩大为特征的交叉中隔墙法(CRD)[2－3]和洞桩法(PBA)[4]是较常用的两种工法。尤以洞桩法在大断面隧道拓建中应用广泛。

Liu Jun[5]、王剑晨[6]等人通过对洞桩法施工过程的变形规律研究，提出由于群洞效应的影响，导洞施工阶段是沉降变形的主要阶段，其次为扣拱阶段和土体开挖阶段；张振波等[7]研究了北京地铁6号线西延工程苹果园站8导洞洞桩法密贴下穿既有车站的变形特征，分析了提升注浆和丝杠支顶的作用效果；张钦喜[8]、王有旗[9]等人研究了土层深孔注浆预加固在拓建工程密贴下穿中的应用效果；牛晓凯[10]和赵江涛[11]等人以北京地铁15号线奥林匹克公园站密贴下穿大屯路隧道为例，提出边导洞先开挖的施工方案；孟令志[12]则通过试验分析、数值计算与现场监测相互验证的方法，研究了“超前深孔注浆＋6导洞PBA＋边桩顶升”的密贴下穿既有隧道施工方法。

本文采用结构概念分析的方法，研究洞桩法密贴下穿既有地铁车站的施工力学特征。

2 力流及变形的结构概念分析

2.1 结构概念分析的方法

所谓结构概念分析法是将复杂的工程结构高度抽象化为简单的力学模型，通过基础性的力学分析来判断结构的力学状态。其本质是工程力学的深度应用，是根据力学原理研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，研究结构的强度、刚度、稳定性和动力反应问题。岩土工程理论不像其他学科那么严密，它是一门实践性和综合性强、需采用概念分析理念的学科，将复杂的力学现象隐藏起来，将其表述为简单的基础力学问题，这就很容易被工程师们理解并付诸应用。下面以北京地铁6号线洞桩法密贴下穿1号线苹果园站工程为例，就网络化拓建密贴下穿进行力学概念分析。

2.2 工程概况

如图1所示，为北京地铁6号线西延拓建现有北京地铁1号线苹果园站结构分布图，上部为既有地铁1号线苹果园站，下部为6号线拓建工程。拓建结构下穿段全长52.4 m，为两层三跨箱形框架结构，斜向70°角密贴下穿既有地铁1号线苹果园站主体结构。拓建结构下穿段上层为站厅层，下层为站台层，顶板覆土(含既有1号线)约11.759 m，底板埋深约27.029 m。既有1号线苹果园站建于20世纪60年代，为地下侧式站台，穿越段为单层四跨和五跨框架结构，层高6.8 m，明挖法施工，覆土约4.9 m。勘察资料表明，拓建结构位于第四纪晚更新世冲洪积层()，为砂卵石地层，黏性土填充，局部含砾石；地下水位位于拓建车站底板以下10.4 m左右。该拓建工程下穿段采用洞桩法(8导洞)施工，导洞采用“先上后下、先边后中、对称开挖”的方法。

图1 拓建结构与既有结构分布

2.3 力流与支撑刚度

土层既是荷载又是结构，荷载在结构中传递的几何轨迹构成“力流”，有方向和大小两个特征。力流的方向有一个类似“水流”的自然特性，它总是按最短、最流畅的几何路径传递。区别在于，水流绕实体寻空间而流，而力流则绕空间寻实体而传，且实体刚度越大，力流传递越强。下面基于结构刚度理论研究洞桩法上导洞开挖过程中，拓建结构平顶密贴既有车站结构底板时，控制竖向应力分配方向和大小的方法。

如图2所示，为洞桩法上导洞上覆荷载分布方式示意图。假定既有结构为刚性体，q为来自既有结构的竖向压力，K1表示导洞两侧土体对既有结构底板的支撑刚度，K2表示导洞初期支护对底板的支撑刚度，K3表示导洞掌子面前方土体对底板的支撑刚度。B表示导洞开挖宽度，L表示导洞开挖循环进尺(指封闭成环初期支护到掌子面的距离)。

图2 导洞上覆荷载分布示意

导洞形成过程中，若将导洞初期支护作为主要竖向承载体(提高K2、K3)，由于初期支护刚度形成需要时间，前方掌子面稳定性要求上覆荷载不能太大，上覆荷载向导洞掌子面前后分配不利于控制既有结构竖向变形。应控制上覆荷载主要向导洞两侧传递(提高K1)，可以充分利用砂卵石地层宜于注浆改良的特点，超前加固导洞两侧土体，形成高强和高刚的受力传力体(土柱)，提高其对既有结构的支撑刚度，以此控制导洞开挖中应力流的分配路径。

2.4 既有结构的竖向位移控制

既有结构的竖向位移主要是拓建土体开挖引起地层竖向压缩变形，并由于不均匀沉降而导致的结构倾斜或者沉降缝两侧差异沉降变形。既有结构竖向沉降的力学转换可分两个主要阶段:一是导洞形成过程中，导洞间土柱的压缩变形；二是竖向承载结构形成后，开挖导洞间土柱过程中，竖向承载体系稳定性以及既有结构与下穿承载体系间的密贴性引起的竖向变形。

当拓建结构桩和柱的竖向承载构件形成后，由于桩、柱本身的结构刚度大，随着导洞间土柱的开挖，其力学分析重点是既有结构底板荷载由丝杠传递至钢管混凝土柱及边桩，由于既有结构和拓建结构竖向传力存在结构上下的不连续和丝杠顶部工字钢与结构接触面小的情况，混凝土板的抗剪切(冲切)及局部受压、钢管混凝土柱在两层净高下的稳定性、钢管混凝土柱安装的垂直度以及边桩在侧压力作用下的弯曲变形，是竖向变形控制应重点考虑的力学问题。

3 洞桩法密贴下穿既有地铁站力学转换分析

对任何一项工程来说，其结构所受的荷载可以分解为水平向和竖直向，与之对应，结构承载体系可以划分为水平抗力体系和竖向抗力体系。表1用结构概念分析的图示方法，研究洞桩法密贴下穿既有地铁站施工过程中的力学转换特征，表中给出了主要施工步序、各主要施工步序对应的结构概念分析图，以及各阶段应重点关注的力学问题，为类似工程的施工力学转换分析和施工风险防控提供参考。

表1 洞桩法密贴下穿既有结构施工阶段概念分析

续表1

4 结束语

本文结合洞桩法密贴下穿既有地铁站实例，阐述结构概念分析法在城市地下工程更新改造网络化拓建中的应用，以期在地下工程网络化安全拓建设计和施工时有一个比较清晰的力学转换路径。得出以下主要结论:

(1)洞桩法密贴下穿既有结构的施工力学转换应遵循“先替代、后转换”的原则，通过刚度设计控制应力重分布的方向和大小，达到控制变形的目的，同时满足稳定性和强度的力学要求。

(2)地下工程密贴下穿的施工风险主要发生在开挖和支护过程的力学转换阶段，将受到拓建施工影响范围的土层简化为梁、柱或桁架的结构模型，运用结构概念分析法对密贴下穿施工过程的力学转换进行定性分析研判，用于指导设计和施工。

(3)地下工程的网络化拓建存在新旧结构的相互作用，力学关系复杂，既有地铁站的结构安全和运营安全，提高了对施工变形控制的要求，这些都需要通过力学分析加以保障，探寻其蕴含的力学机制，找出施工阶段受力的薄弱点，作为施工方案选择和风险识别、评估和控制的依据。