地铁区间隧道暗挖下穿既有车站结构设计研究

杨励

中国铁路设计集团有限公司 天津 300308

1 引言

近年来随着城市轨道交通线网规划的日益完善和加密，各种形式的换乘车站及大型交通枢纽的建设越来越多，在线路节点处不可避免的与既有地铁车站或区间形成上跨、下穿、侧穿等穿越工程，在维持既有地铁结构安全运营的前提下，新建穿越结构如何有效实施是此类设计的关键。本文以深圳黄木岗交通枢纽轨道交通24号线区间下穿既有地铁7号线黄木岗站工程为依托，对下穿方案进行了详细比选，最终确定采用暗挖法进行下穿段隧道开挖及既有围护桩破除，新建隧道拱顶及周围土体加固则采用了超前支护（管棚、小导管）注浆及全断面深孔注浆相结合的方法，实现了对既有地铁结构变形的有效控制，此专项设计与施工方案可供类似的穿越工程进行参考。

2 工程概况及水文地质条件

2.1 工程概况

深圳黄木岗交通枢纽轨道交通部分位于笋岗西路和华富路-泥岗西路交叉口，14号线沿华富路-泥岗西路南北向与既有7号线黄木岗站平行布置，24号线沿笋岗西路东西向布置，三线呈类“干”字型换乘[1]。周边建筑物有深圳市体育中心、市二医院、实验中学等。新建地铁14号线车站为地下三层叠侧车站，与既有7号线黄木岗站（地下三层叠侧式车站）同台换乘，车站长262.2m，宽45~75m，顶板覆土1.7~5.8m；地铁24号线为规划线路，车站土建与枢纽同期施作后预留，为地下四层岛式车站，与7、14号线形成节点换乘，全长235.2m，宽31~60m，顶板覆土约2m。枢纽主体均采用盖挖逆作法施工，轨道交通区域整体未设置变形缝。

规划24号线区间沿笋岗西路东西向敷设，远期埋深约32m，线路中心线间距23.2m，下穿既有7号线段左线长度53.4m，右线长度48.4m，与既有7号线车站底板净距约2.78m，需破除既有23根冲孔灌注桩（直径1.5m，重叠6.2m）及2口降水井（直径0.4m砂眼管填充C30，重叠3.9m），平面位置如图1。由于远期24号线盾构区间施工时，车站上方已施作枢纽地下结构、道路、永久桥等，地面不具备盾构始发到达、盾构机吊入吊出条件，故车站预留盾构过站条件。

图1 24号线区间下穿既有7号线平面位置图

2.2 工法选择

区间下穿方案对比详见表1。

表1 区间下穿方案对比

参考深圳已实施的下穿工程案例，初支按盾构管片外轮廓+300mm考虑，采用内径6.8m、外径7.5m的圆形断面，如图2。初支采用锚喷的结构型式，符合“新奥法”设计原理，暗挖隧道终点设置200mm厚堵头墙，施工时结合分界处实际地质情况确定是否对掌子面外进行注浆加固。

图2 暗挖区间断面图

2.3 工程地质

区间穿越地层主要为土状强风化花岗岩（V级围岩），局部为中风化花岗岩及微风化花岗岩（Ⅲ级围岩），地下水位埋深1.00～4.80m，纵断面如图3。

图3 地质纵断面图

3 暗挖下穿既有车站关键技术

3.1 地下水处理及地层加固

受暗挖区间上方新建14号线主体结构影响，无法实施地面降水井，只能采取洞内全断面深孔注浆的方式，将止水帷幕与地层加固相结合，加固后的土体无侧限抗压强度不小于1~1.2MPa,渗透系数小于10-6cm/s[2]，即可最大程度的减小地下潜水对隧道开挖的影响。加固范围为暗挖区间断面轮廓线外3m，每个循环注浆段的设计长度取9m，本注浆段施工完成后先开挖6m预留3m不开挖作为下一循环的止浆岩盘[3]。

3.2 超前支护及初支钢架施工

本工程暗挖隧道下穿段在左、右线拱顶设置由大管棚+超前小导管组成的超前支护体系，详见图2。大管棚应在车站洞口环梁浇筑前打设，施工步序为：①管棚加工；②钻孔与管棚安装；③注浆。根据下穿段隧道断面尺寸、地质及穿越障碍物情况，结合施工便利性，隧道初支采用型钢钢架，下穿既有7号线段采用工22a，其他段采用工18a，间距0.5m。

3.3 台阶法施工

采用二台阶预留核心土法施工，上台阶开挖的进尺一般取2～3m，避免进尺过长，机械开挖，施工过程中严格控制机械振动速率，禁止大范围开挖岩体，施工步序如下：①施作超前支护，全断面注浆加固，预留核心土环形开挖上台阶土体，挂钢筋网、架设并安装钢架、打锁脚锚管、系统锚杆及喷射混凝土；②开挖上一步预留的核心土，并结合地层设置临时仰拱，上半断面封闭；③开挖下台阶土体，挂钢筋网及架设、安装钢架，喷射混凝土（封闭成环）；④拆除临时仰拱，回填暗挖隧道。

针对下穿需破除的既有冲孔灌注桩，为防止掉桩，先凿出两榀钢架的厚度，并立两榀钢架，再凿除此桩剩余桩基混凝土。因区间与车站围护桩斜交，斜交围护桩范围钢架均按密排处理，快速封闭成环。

4 既有车站结构变形分析

4.1 有限元数值模拟

采用Midas GTS软件建立三维有限元模型模拟隧道开挖施工步骤，结合计算效率及区间下穿影响范围，建模区域包括既有7号线车站、枢纽核心区及24号线暗挖区间，模型长、宽均取350m，高度取60m，边界四周法向约束，底部固定，如图4。计算结果显示，隧道开挖施工引起的既有7号线车站竖向沉降为3.6mm,轨道结构轨向变形为1.7mm/10m，两轨横向高差1.0mm，隧道拱顶竖向沉降为5.27mm。

图4 有限元计算模型及计算云图

4.2 施工监测

施工期间的监控量测是进行动态设计、信息化施工与管理、确保暗挖工程施工安全的必要辅助措施，应贯穿于暗挖施工全程。根据相关监测规范及深圳地铁现行安保区管理规定，针对既有车站，监测项目必须包含：结构竖向位移和水平位移、变形缝差异沉降、轨道结构（道床）竖向位移、轨道几何形位(轨距、轨向、高低、水平等)、结构裂缝[4]。监测断面间距为5~10m，监测频率根据施工进度动态调整。

根据最终的监测数据分析，下穿施工过程既有7号线黄木岗站箱体及轨道结构的各项变形监测值累计值均小于控制值，符合规范要求，且与数值模拟计算值接近，趋势一致，可综合判断区间暗挖下穿的设计与施工方案合理，整体风险可控，监测数据统计详见表2。

表2 施工监测数据统计

5 结语

根据现行《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[5]、各地方标准或地铁安保区管理办法，下穿工程的外部作业等级及环境风险工程等级一般为特级，既有车站或区间结构的变形控制值较小。由于新建结构的周边环境地形条件一般较为复杂，下穿段埋深较大，施工局限性较大，通过超前支护、地层注浆加固、台阶法施工相结合的设计方案，较好的满足了隧道自身变形、既有结构的沉降变形控制要求，保证既有车站安全运营的同时，成功实现了新建轨道交通结构的下穿施工。

通过实际工程验证，穿越土层的暗挖隧道超前支护采用管棚与超前小导管相结合的设计方案实施效果较好，注浆加固后的隧道上部土体稳定性较好。在整体刚度较大的管棚保护下进行土体开挖，对既有结构扰动较小，结合短台阶预留核心土法进行下穿既有地铁结构施工，技术可靠。在实际运用中，尚应根据监测情况及时对支护参数进行调整，信息化设计与施工，从而更加精准的实现对穿越既有地铁结构的变形分析与控制。