新建地铁车站超大断面密接下穿既有车站影响分析*

郑龙超 王明胜 路军富 廖品富

(1.中铁隧道局集团建设有限公司，530007，南宁； 2.中铁城市发展投资集团有限公司，610218，成都；3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，610059，成都∥第一作者，高级工程师)

近年来，新建地铁车站零距离下穿既有运营地铁车站已成为城市建设中常见的工程问题。目前，国内已有不少学者对零距离下穿建筑物地铁施工项目进行了研究。文献[1]将Peck公式理论数据与国内各地区实际工程数据进行对比分析，获得了Peck公式具有一定普适性的结论，但其适用范围受隧道的埋深、断面形状及支护形式等参数的影响。文献[2]对Mair公式进行了修正，增强其适用性及可应用性。文献[3]通过机理研究，结合国内外下穿结构案例，建立了适用于体型简单、结构刚度均一的建筑物刚度修正法。文献[4]提出了一种由下穿既有地铁站引起的上部结构沉降变形的预测方法。文献[5]分析了施工期间，土体注浆范围对隧道附加变形的控制作用。文献[6]结合变位分配原理和CRD(交叉中隔墙)法+顶撑施工技术，模拟分析了既有车站结构沉降规律和分步变位控制标准。文献[7]研究了由PBA(洞桩逆作)八导洞法、PBA 六导洞法、暗挖三导洞法及暗挖四导洞法施工引起的地面及既有隧道变形情况。

综上所述，目前对零距离下穿建筑物的研究较多，但对实际工程中的超大断面暗挖施工对周围建筑物的影响研究较少。鉴于此，本文以成都地铁倪家桥站新建8号线换乘车站为例，针对超大断面暗挖施工对既有车站结构变形规律的影响问题，提出通过L型梁及马头门约束、5导洞10断面分部暗挖法等一系列施工方法控制既有车站沉降。本文研究可为类似工程施工提供借鉴与工程经验。

1 工程概况

1.1 下穿隧道与既有车站的位置关系

成都地铁倪家桥站新建8号线(以下简称“8号线”)位于人民南路和倪家桥路交汇处，地铁车站位于人民南路西侧，沿领事馆路和倪家桥路布置，部分轨行区下穿既有地铁1号线(以下简称“1号线”)和待建地铁18号线(以下简称“18号线”)进行三站换乘，三线平面布置图如图1 a)所示。既有车站为地下两层岛式明挖车站，长为180.0 m，与8号线为T型换乘。新建地铁车站为地下三层岛式车站，总长为277.0 m，宽为22.3 m，换乘节点范围基坑深度为35.14 m，暗挖段沿8号线主体结构纵向剖面图如图1 b)所示。新建车站换乘通道需在负三层密接暗挖下穿既有车站，暗挖段初次衬砌结构密贴既有车站底板。下穿隧道暗挖断面面积为211.77 m2，宽为23.4 m；开挖深度最大为9.05 m，最小为8.55m；穿越长度为18.7 m。

图1 下穿隧道与既有车站位置关系示意图

1.2 工程地质

本工程场地基岩为白垩系灌口组紫红色泥岩，暗挖段上半部分位于<2-5-3>中密卵石土层，下半部分位于<5-2>强风化泥岩，中风化泥岩位于暗挖底板下2～3 m处。地下水赋存于基岩裂隙中，含水量一般较小，但在岩层较破碎的情况下常形成局部富水带。

1.3 施工方案

由于下穿隧道顶板紧贴既有车站底板，导致施工操作空间狭小，既有车站的沉降控制难度较大，进而影响地铁正常运营。通过施作L型梁、马头门(隧道洞口处梁柱支撑结构)等结构形成约束既有车站变形的受力体系；采用5导洞10断面分部暗挖法+中心钢管柱顶撑工艺下穿施工，及时施作初次衬砌封闭成环形受力体系；施作二次衬砌结构完成受力体系转换。下穿隧道施工断面示意图如图2所示。

图2 下穿隧道施工断面示意图Fig.2 Diagram of under-passing tunnel construction section

1.4 主要施工工艺

1) L型梁及马头门约束体系。在开挖施工断面前，施作既有车站顶板上方的L型梁和暗挖段洞门处的马头门，加强对既有车站的约束作用，控制既有车站的变形。L型梁为8号线及18号线换乘节点主体结构顶板与既有车站顶板的连接结构，马头门位于既有车站底板下方，起到支撑既有车站侧墙和底板的作用(见图1 b))。

2) 钢管群桩顶撑工艺。开挖期间在既有车站受力框架柱正下方施作1导洞及2导洞处的钢管群桩。首先采用潜孔钻进行施工，锚入基底下6 m，每个框架柱下施工11根φ219 mm钢管桩，钢管桩采用壁厚为12 mm、长为12 m的无缝钢管；然后在钢管桩内灌注C50微膨胀混凝土；最后架设钢架平台，在平台上放置4台100 t千斤顶顶撑，使得钢管群桩既能够顶撑既有车站，又能调控既有车站的沉降；浇筑二次衬砌时取下千斤顶，并施作钢管混凝土柱。钢管群桩顶撑工艺如图3所示。

图3 钢管群桩顶撑工艺Fig.3 Steel pipe pile group jacking technique

2 密接下穿既有地铁车站施工模拟计算要素

2.1 建立计算模型

根据理论分析和设计资料，考虑到隧道施工影响范围、降低边界效应及既有地铁1号线围护结构等情况，划定计算模型边界范围为：计算模型水平方向取既有地铁1号线的设计长宽；模型底部边界至下穿隧道下侧边界为45 m；上部边界为自由面；底部为x、y、z三向约束；两侧边界均施加法向约束。计算模型中土体、二次衬砌、既有车站和马头门均采用实体单元进行模拟，初期支护采用析取的板单元进行模拟，挖孔桩、钢管柱采用植入式梁单元进行模拟。土体采用摩尔-库伦模型，其余结构均采用弹性模型。模型范围为165 m(x向)×24 m(y向)×70 m(z向)。有限元计算模型如图4所示。

图4 有限元计算模型Fig.4 Finite element calculation model

2.2 选取参数

2.2.1 计算单元及参数

地层的物理力学参数参考文献[8]和GB 50157—2013《地铁设计规范》，计算模型中围岩的力学参数如表1所示。

表1 模型围岩力学参数Tab.1 Surrounding rock mechanical parameters in model

2.2.2 荷载

既有车站轨道上的荷载为均布列车荷载，均布列车荷载为40 kN/m2。荷载施加形式示意图如图5所示。

图5 荷载施加形式示意图Fig.5 Diagram of load application form

2.3 选取主要施工步骤

下穿隧道断面开挖完成或施作结构完成时，地面、既有车站及下穿隧道的变形和受力均较大。选取的关键施工步骤及其施工内容如表2所示。

表2 关键施工步骤及其施工内容Tab.2 Key construction steps and contents

3 既有地铁车站变形特征分析

3.1 楼板变形规律分析

全部施工步骤完成时，沿既有车站中轴线各楼板节点的竖向位移曲线如图6 a)所示。各楼板最大累积位移变形量占总位移变形量的百分比条形图如图6 b)所示。由图6可知：当全部施工步骤完成时，底板沿既有车站中轴线变形曲线呈V型，顶板、中板变形曲线呈U型，下穿隧道与既有车站交叠处沉降明显；开挖影响范围约为85 m，是开挖宽度的3.63倍，是开挖高度的9.39倍；底板最终沉降值为3.03 mm，中板最终沉降值为2.68 mm，顶板最终沉降值为2.70 mm，底板沉降约为中板沉降、顶板沉降的1.35倍，且顶板沉降略大于中板沉降，这是由破除既有车站一层侧墙导致的。

图6 施工过程中的既有车站楼板变形情况

8号线端围护桩破除以及1-1断面开挖是影响既有车站变形的主要施工步骤。底板的最大累积沉降量占比约为27.4%，中板的最大累积沉降量占比为25.4%，顶板最大累积沉降量占比为21.5%。因此，控制主要影响施工步骤的施工进度，可以有效防止既有车站的突变变形。

3.2 轨道变形规律分析

全部施工步骤完成时，各轨道竖向位移曲线如图7所示。由图7可知：全部施工步骤完成时，各线路轨道竖向位移变化规律相似；沉降槽位于下穿隧道中轴线上；左线轨道受开挖影响较大，变形曲线呈V型，内侧轨道比外侧轨道沉降大，最大沉降值分别为2.52 mm和2.28 mm；右线轨道受开挖影响较小，变形曲线呈U型，内侧轨道比外侧轨道沉降大，最大沉降值分别为2.04 mm和1.75 mm。

图7 施工完成时各线轨道竖向位移

4 既有车站变形实测结果与计算结果对比分析

4.1 既有车站变形实际监测方案

在既有地铁1号线车站轨道道床间距5～10 m处布置一个监测断面，记录既有线路竖向位移。既有地铁1号线线路监测点布设如图8所示。根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，当检测对象的沉降实测值与结构安全控制沉降指标值的比值<0.6时，可正常进行外部作业。本项目结构安全控制沉降指标值为10.00 mm，可得沉降预警值为6.00 mm，沉降速率为1 mm/d。本工程项目的地铁车站沉降为4.84 mm，小于预警值，满足规范要求。

图8 既有1号线线路监测点布设

4.2 既有车站实测变形分析

施工完成时，既有车站各线路监测点竖向位移时程曲线如图9所示。由图9可知：既有车站各线路沉降规律相似，隧道交叠处沉降明显，并向两端逐渐递减；左线比右线受开挖影响大，内侧轨道比外侧轨道沉降大，其中左轨内侧轨道沉降最大，其最大沉降值为4.84 mm，是其他轨道沉降值的1.05～1.29倍；主要影响既有车站线路变形的施工步骤是开挖1-1断面；各线路沉降均满足安全控制标准。

图9 施工完成时既有车站线路监测点竖向位移时程曲线

4.3 既有车站变形结果对比分析

施工完成时，既有车站线路实测结果与计算结果对比如图10所示。由图10可知：全部施工步骤完成时，既有车站线路实测结果与计算结果变化趋势相似，但实测结果竖向位移更大，轨道沉降最大值出现在隧道中心上方；左线外侧轨道实际监测最大沉降为4.61 mm，是计算结果沉降值的2.70倍，内侧轨道实际监测最大沉降为4.84 mm，是计算结果沉降值的2.38倍；右线外侧轨道实际监测最大沉降为3.75 mm，是计算结果沉降值的1.52倍，内侧轨道实际监测最大沉降为4.52 mm，是计算结果

沉降值的2.04倍；实际监测结果最大沉降值是计算结果最大沉降值的1.52～2.70倍；实测结果与计算结果均满足安全控制要求。产生这些现象的主要原因为：现场施工过程中支护不及时，受到平均每3 min一次的列车动载作用，施工步骤衔接速度慢，计算参数取值与实际参数存在偏差。

图10 施工完成时既有车站线路实测结果与计算结果对比

5 结语

结合实际车站大断面密接下穿既有车站工程，研究了超大断面暗挖施工对既有车站结构变形规律的影响，将数值模拟计算结果与实测结果进行了对比分析。主要结论为：

1) 下穿施工采用L型梁及马头门约束体系、5导洞10断面分部暗挖法及钢管柱顶撑工艺等，既能有效控制既有车站的沉降，又保障了既有车站的正常运营。

2) 既有车站交叠处沉降明显，楼板最大沉降值为3.03 mm，横向影响范围约为85 m。主要影响施工步骤为新建车站8号线端围护桩破除、1-1断面开挖及二次衬砌1段施作。

3) 既有车站各轨道实测结果与计算结果变化趋势相似，竖向位移数值相差1～3 mm。实际变形受现场施工过程中支护不及时、平均每3 min一次的列车动载作用。最大沉降值为4.84 mm，位于左线内侧轨道，实测结果与计算结果均满足安全控制要求。