新建地铁车站大断面下穿既有地铁车站暗挖施工及沉降控制研究与应用

刘 涛

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

0 引言

随着城市轨道交通的建设，更多地出现了既有车站或区间下方进行地下结构施工的情况。由于下部开挖或掘进施工，必将会对上部既有结构产生影响。基于此，对两者之间的相互影响及对策研究就显得尤为重要。朱正国、于军、张林宏等针对车站下方浅埋暗挖引起的结构变形和内力进行了研究，提出了具体措施[1-3]；白纪军、常翔、杨会军等针对地铁车站近接正交下穿既有地铁隧道，采用全断面注浆条件下的柱洞法，借助车站和岩体形成支撑体系，保证暗挖施工和运营隧道安全[4-6]；郭宏博、吴沛岭等以新建地铁车站结构密贴暗挖下穿既有地铁车站的工程为背景，通过对暗挖下穿既有车站的不同开挖步序及辅助措施对应施工方案的对比分析，研究了暗挖下穿对既有车站结构的影响规律[7-8]。本文结合成都某地铁车站下方新建地下车站工程实践，对既有结构工程和地下车站施工相互影响及措施进行研究，为今后类似工程的设计施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简况

成都某新建地铁站位于宁波路东段与夔州大道交汇处，平行宁波路东段呈东西向布置，与已建既有6号线三期车站十字节点换乘。该车站地下四层下穿既有车站，下穿段宽32.8m，长23.3m，高10.2m，采用暗挖法施工。

1.2 工程地质

该车站处于低瓦斯地段，暗挖段地层为中风化泥岩、砂岩，中厚层状，碎屑结构，泥质胶结，岩质较硬，锤击声脆，部分地段软弱夹层或差异风化明显，易风化，遇水易软化。天然抗压强度标准值8.95MPa，饱和抗压强度标准值6.69MPa，属软质岩。地层岩性较好，第四系孔隙水和基岩裂隙水较发育。

2 下穿既有线暗挖方案

2.1 暗挖法介绍

根据以往经验，下穿既有车站或车站暗挖段地层条件差、断面特大时，一般设计为多跨连续结构，跨与跨之间设梁和柱连接，一般采用中洞法、侧洞法、柱洞法及洞桩法等工法施工，其核心思想是将开挖大断面变为中小断面，合理转换支撑体系，以提高施工安全度。

表1 暗挖施工法对比

2.2 洞桩法

暗挖工程洞桩法的基本原理为先开挖导洞、灌注桩基、顶拱浇筑形成支撑体系，再分区域扩挖并施工主体结构。因本工程暗挖段有8根既有线抗浮桩(φ1.2m，长度10m)，可以利用既有抗浮桩并新建柱下基础形成临时支撑体系。本暗挖工程可结合洞桩法的原理，开挖既有抗浮桩位置的导洞后施工柱下基础，转换支撑体系后分4个区域扩挖并浇筑主体结构。洞桩法施工分区如图1所示。

图1 洞桩法施工分区示意

洞桩法共设置4个导洞、4个扩挖区，分两期组织施工：一期开挖贯通①②③④导洞并新建柱下基础形成临时支撑体系；二期扩挖贯通⑤⑥⑦⑧区域并新建主体结构转换支撑体系。

2.3 中洞法

暗挖工程中洞法的基本原理为先开挖中间部分(中洞)，在中洞内施作梁、柱结构，然后再开挖两侧部分(侧洞)，并逐渐将侧洞顶部荷载通过中洞初期支护转移到梁、柱结构上。因本工程暗挖段为中风化泥岩、砂岩地层，地质情况较好，故该暗挖工程可结合中洞法的原理，先开挖梁柱位置导洞预留两侧岩体，跟进施工已开挖导洞板、梁、柱结构，最后开挖预留岩体并浇筑结构，即中洞法分段施工。中洞法分段施工如图2所示。

图2 中洞法分段施工示意

中洞法分段施工利用未开挖岩体和新浇筑主体结构转换支撑体系，共设7个导洞开挖和主体结构施工，导洞①、②、③、④内为板、梁、柱结构，导洞⑤、⑥、⑦内为板结构。施工顺序为①→②→③→④→⑤→⑥→⑦，每个导洞岩体分上、下台阶开挖，岩体开挖完成后浇筑主体结构。

3 既有结构变形分析

本工程暗挖段上部为既有车站，在开挖及主体结构施工期间，由于既有车站下部基岩转变为板、梁、柱支撑体系和预留岩体，车站结构因支撑体系转换而产生变化。为确保既有车站结构安全，重点研究本工程暗挖段开挖期间及新建主体完成后对既有车站的影响，采用迈达斯和理正有限元软件，分别建立地层-结构模型及荷载-结构模型，对既有线结构变形及内力影响进行分析。结构计算模型如图3-图5所示，施工工况既有线结构底板内力见图6。

图3 结构计算模型

图4 导洞条基法计算模型

图5 分段施工法计算模型

(a)基本组合弯矩图

经计算分析，采用洞桩法施工时最不利影响为既有车站结构竖向位移2.8m；采用中洞法施工时最不利影响为既有车站结构竖向位移约3.5m；水平位置、差异沉降等其他影响都较小，既有线结构变形可以有效控制，满足规范及相关文件要求。在临时工况和永久工况的条件下，新建车站结构满足原既有线结构受力，满足原结构配筋要求，暗挖工法及结构设计方案安全可行。

4 暗挖施工方案对比

4.1 洞桩法

洞桩法主要优点为充分利用既有车站抗浮桩+柱下基础作为临时支撑体系，扩挖岩体时临时支撑体系有效性较为突出，能有效控制既有结构变形。

洞桩法主要缺点为：

(1)支撑体系转换较为复杂，由原支撑体系(既有线下部岩体)→临时支撑体系(抗浮桩+柱下基础、临时钢立柱)→永久支撑体系(新建主体结构)的顺序四次体系转换，施工工序繁琐。

(2)洞桩法先期实施柱下基础与底板结构，存在永久、临时结构转换，施工缝较多，后期防水处理较为复杂。

(3)洞桩法先期导洞开挖施工空间较小，采用大型设备施工困难，地层条件较好的情况下，高效、快速地实施难度较大。

(4)洞桩法共分8序组织施工，每序施工均为关键线路，总工期较长。

(5)洞桩法分序施工时，初期支护工程量大，投资及施工成本较大。

4.2 中洞法

中洞法分段施工主要优点为：

(1)中洞法分段施工利用未开挖岩体和新浇筑主体结构转换支撑体系，体系转换简单。

(2)中洞法分段施工利用新建主体结构作为支撑体系，永久、临时结合，不存在施工期间临时结构转换和废除，施工缝较小，后期防水处理简单。

(3)中洞法分段施工每个导洞分上、下台阶施工，施工空间较大而利于组织大型设备施工。

(4)中洞法分段施工共分7导洞组织施工，比洞桩法少1步关键工序，施工工期更短。

(5)中洞法分段施工⑤⑥⑦区域开挖时，不设初期支护，投资及施工成本较小。

中洞法分段施工主要缺点为临时支撑体系依赖预留岩体的自身稳定性较高，预留岩体和新浇筑主体结构的临时支撑体系有效性较差。

4.3 施工方案确定

综上分析，结合本工程地层情况和现场条件，在保证既有车站结构安全的前提下，本工程采用分段施工法更快捷、高效，同时施工质量更可控，投资及施工成本较小。

5 暗挖施工措施

5.1 上部卸载

为保证既有车站结构受力安全，减少暗挖施工期间既有车站变形量，暗挖施工前尽可能减少和控制既有车站上部荷载，主要措施为：

(1)挖除既有车站顶板上覆土(厚度约4m)进行卸载。

(2)封闭施工区域交通，严禁车辆在既有车站上部通行，避免既有车站上部不利荷载。

(3)禁止既有车站结构顶板组织其他施工，不堆放材料及重物，控制既有车站上部增加荷载。

5.2 施工组织

(1)沿既有车站两侧对称开挖新建车站的基坑，两侧基坑分层开挖时高差不大于6m，避免一次性单侧开挖大面积岩体对既有车站永久结构造成的卸载、偏载等影响，确保暗挖施工前既有车站结构的安全和稳定。

(2)新建车站基坑开挖时，既有车站下部暗挖段两侧预留宽度约6m的岩体，做好网喷临时支护，并有效抽排基坑内积水，在暗挖施工前确保既有车站的支撑体系稳定。

(3)本工程暗挖段处于低瓦斯地层，暗挖施工期间加强通风及瓦斯监测，确保暗挖施工期间的安全。

(4)合理组织暗挖岩体开挖和新建主体结构，尽可能地缩短施工工期，避免既有车站过长时间处于支撑体系转换状态。

(5)本工程暗挖段位于地表以下40m，岩体开挖后渣料和新建主体结构所需材料涉及吊装作业，配置大功率吊装设备，保证暗挖工程的效率。

(6)暗挖施工期间加强排水措施，确保作业面及暗挖区域处于干燥状态，保证岩体的稳定性。

6 监测

监测工作是保障地下工程安全的重要手段，施工过程中高度重视监测工作，建立分级预警机制，形成应急处理预案，做好信息化施工。

针对本工程采用暗挖法下穿既有车站，对既有车站结构采取全自动化监测措施，对既有线结构变形等数据进行实时动态分析；暗挖法施工中重点加强其拱顶沉降及洞内净空收敛等监测，时刻关注隧道裂缝产生及发育情况，特别重视坡面竖向及水平变形情况。若监测数据异常时，及时分析，尽快采取临时加撑等应急处理措施。

7 结语

综上所述，在砂泥岩地层等类似地层较好的条件下，既有车站下方暗挖段采用中洞法分段施工能有效控制既有车站结构变形。采用中洞法分段施工更快捷、高效，同时施工质量更可控，投资及施工成本较小，可用于今后类似工程。