平頂直墻暗挖密貼下穿既有車站施工的運用分析與研究

李余江

摘? 要：文章以成都地鐵某工程采用平頂直墻大斷面暗挖法密貼下穿既有線車站施工為背景，提出并分析各設計施工方案優(yōu)缺點，對本工程采用的施工步序、施工工藝及其施工要點等進行研究總結;同時利用有限元計算分析新建暗挖對既有車站的沉降影響，并與實際監(jiān)測進行對比分析，驗證了該設計施工方案的合理性。為今后類似重大工程的設計和施工提供參考。

關鍵詞：平頂直墻;暗挖;密貼下穿;既有線;監(jiān)測

中圖分類號：U455 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）07-0046-04

Abstract： This paper puts forward and analyzes the advantages and disadvantages of each design and construction scheme based on the background of the construction of the station under the existing line by the concealed excavation method with flat roof and straight wall in a Chengdu subway project. the construction sequence， construction technology and construction key points adopted in this project are studied and summarized. At the same time， the influence of the newly built underground excavation on the settlement of the existing station is analyzed by finite element calculation， and compared with the actual monitoring， the rationality of the design and construction scheme is verified. It provides a reference for the design and construction of similar major projects in the future.

Keywords： flat roof straight wall; underground excavation; close penetration; existing line; monitoring

平頂直墻暗挖工法是在隧道因特殊外部條件無法按傳統(tǒng)拱形斷面實施時，采取的一種特殊施工工法;與傳統(tǒng)拱形斷面工法比較，該工法可以暗挖方式實現(xiàn)平頂直墻結構斷面，其技術特點導致其在風險控制、沉降控制、進度控制等方面有一定劣勢[1]。但隨著地鐵工程的高速發(fā)展和施工技術的日漸成熟，新建地下工程采用平頂直墻暗挖密貼下穿既有車站區(qū)間隧道的情況越來越多，且對既有線的影響和挑戰(zhàn)也越來越大，故對該方法的研究對后續(xù)類似工程具有重要意義。本文以成都軌道交通8號線一期工程倪家橋站負三層暗挖下穿既有1號線車站為例，淺談平頂直墻暗挖法密貼下穿既有車站施工。

1 工程概況

新建成都軌道交通8號線一期工程倪家橋站與1號線、18號線進行換乘。其中8號線車站需在負三層暗挖大跨度下穿既有1號線車站，暗挖段初襯結構密貼既有1號線車站底板（圖1），采用平頂直墻暗挖法施工，暗挖開挖寬度22.7m，開挖高度8.35m，長18.7m，暗挖段上半部分為中密卵石土層，下半部分為強風化泥巖，中風化泥巖位于暗挖底板下2～3m。暗挖段滲透系數(shù)為0.028～2.01m/d，平均為0.44m/d，屬弱～中等透水層。其中既有1號線是連接成都中心城區(qū)和天府新區(qū)的重要交通工具，人流量大、重要性高、意義特殊，8號線下穿過程中一旦出現(xiàn)問題，將影響1號線的運營，后果不堪設想;且該站位于人民南路與倪家橋路交叉口，人流、車流量較大，下穿施工風險高，為特別重大風險工程。暗挖隧道密貼大跨度下穿1號線斷面圖如圖1所示。

2 總體設計和施工方案

平頂直墻暗挖法是在開挖時，將整個洞室分為若干垂直向的幾個導洞，每個導洞塊進行初襯以及二襯頂板、底板、邊墻，并盡早形成豎向傳力體系，以保證洞頂土體穩(wěn)定，這樣逐步完成整個地下洞室開挖并澆筑的過程[2]。為保證地鐵1號線運營安全，根據(jù)8號線下穿1號線的結構設計、位置關系、水文地質條件以及施工安全、進度、成本等，結合平頂直墻暗挖隧道有土體開挖易坍塌、地表沉降量敏感等特點，在綜合研究國內外工程實例的基礎上，暗挖橫向共分為5部10個斷面進行施工（圖2）。為保證開挖過程中土體穩(wěn)定，在施工前首先對所有的開挖土體進行全斷面深孔注漿加固，再對土體進行分導洞開挖，并提出以下分部施工方案：

方案一：對暗挖土體全斷面注漿后，先分導洞開挖完整個地下洞室斷面、施做鋼管群樁（支撐1號線中柱）后一次施做二襯。該方案的優(yōu)點是可很大程度上縮短工期、降低成本，減短對既有線影響的時間;缺點是施工過程中對沉降控制不利。

方案二：對暗挖土體全斷面注漿后，分別進行1、2、3、4、5導洞開挖、襯期支護、二襯施工。縱向分2次進行二襯澆筑，第一次在各導洞上臺階洞通、下臺階開挖至中柱處澆筑，第二次澆筑剩余部分;第一次澆筑長度10m（過1號線中柱），第二次澆筑剩余長度8.7m。該方案優(yōu)點是強調了土體開挖、初支砌筑階段的防坍塌設計以及二襯砌筑過程中的受力轉換步序設計，使其盡早形成封閉受力體系，也可最大程度降低沉降和既有線變線，確保既有1號線安全;缺點是工期長、成本高、施工工序繁雜，且對既有1號線影響時間長。

方案三：對暗挖土體全斷面注漿后，先開挖1、2導洞至中柱處，施工鋼管群樁后，開挖兩邊3、4導洞，洞通后施做3、4導洞的底板、頂板、兩邊側墻以及已開挖的1、2導洞底板、側墻、頂板，最后開挖剩余導洞并施做剩余二襯。與第一種方案相比，沉降變形控制得到了加強，但是施工周期更長，成本也更高。與第二種方案相比，縮短了工期，降低了成本，但沉降變形控制受到了削弱。

經(jīng)綜合分析，結合本工程下穿既有1號線的高風險性以及既有1號線的重要性和特殊性，并經(jīng)過專家論證，本工程采用方案二施工。因方案二在開挖過程中將上部構筑物受力變形、開挖土方帶來的承載力缺失等各種因素造成的既有車站結構變形沉降控制在最小，可保持新建工程順利推進，也可保證既有1號線的正常運營。

3 具體施工步序及工藝過程

3.1 注漿加固

為了確保開挖過程中土壤的穩(wěn)定性，在施工前首先對所有開挖的土壤進行全斷面的深孔灌漿加固。擬改善土層，提高土體承載能力和自穩(wěn)能力并封堵地下水，確保開挖過程中不出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)坍塌，減小開挖風險。同時也對開挖時損失的承載力進行了受力托換，減小既有結構物的變形和沉降，確保既有線運營安全。

3.2 暗挖施工

因平頂直墻暗挖隧道施工工法特點決定其沉降控制偏弱，為確保既有線運營安全，本工程暗挖通道的5部10個斷面均采用緊跟掌子面的較剛性支護和短進尺的開挖方法，每部采用上下臺階法+臨時橫撐開挖，預留核心土。開挖面積211.77m2，開挖寬度及高度分別為23.4m、9.05m，上下臺階開挖高度分別為4.7m、4.35m。上下臺階開挖均采用微臺階法施工，臺階錯開長度2～2.5m，每循環(huán)進尺均控制在一榀鋼架間距內（0.5m）。分部每循環(huán)開挖后及時施作初期支護、鎖腳錨管、超前注漿錨管，確保沉降控制。該工法可減小平頂直墻導洞的尺寸，減小每次開挖的跨度，并充分利用初襯隔壁的承載能力，降低既有結構的沉降變形，確保新建暗挖施工安全和既有線的正常運營。主要橫縱工序如下：

（1）橫向施工步序（圖3）

第一步：進行小導洞1-1斷面開挖，并施工初襯和鎖腳錨管;施工6m后進行小導洞1-2斷面開挖，并施工注漿錨管和初襯。導洞土體開挖后掌子面應力釋放，且既有車站底板下承載面積缺失，板下反力重新分布，造成既有1號線壓縮土體引起沉降，故施工時支撐必須嚴密頂貼既有結構頂板，并做好注漿錨固，減小沉降。

第二步：在1-1、1-2導洞內施做鋼管群樁、一半既有車站寬度范圍的防水層及底板、中隔墻、頂板二襯結構，后繼續(xù)按第一、二的施工步序施工剩余初襯、二襯結構，二襯結構施工時初襯中隔橫撐保留。鋼管群樁主要支撐既有車站結構柱，確保既有車站結構安全。盡早施工二襯降低既有車站結構沉降，彌補初支鋼度不足，增加安全且減小沉降。中隔橫撐保留可減少受力轉換步序，減少沉降變形。

第三步：按第一、二步施工步序方法施工小導洞2-1、2-2。

第四步：進行小導洞3-1、3-3斷面開挖，并施工鎖腳錨管和初襯;施工6m后進行小導洞3-2、3-4斷面開挖，并施工注漿錨管和初襯。

第五步：在3-1、3-2、3-3、3-4導洞內施做一半既有車站寬度范圍的防水層及底板、中隔墻、頂板二襯結構，后繼續(xù)按第四、五步的施工步序施工剩余初襯、二襯結構，二襯結構施工時初襯中隔橫撐保留。

第六步：進行小導洞4-1斷面開挖，并施工初襯和鎖腳錨管;施工6m后，進行小導洞4-2斷面開挖，并施工注漿錨管和初襯。施工該導洞剩余的防水層及底板、頂板二襯結構。二襯施工后拆除中隔橫撐，拆除中通過頂板與既有站底板間預埋管壓力注漿控制沉降。

從上述橫向施工步序可以看出：一是橫向開挖時合理劃分開挖斷面，減小每次開挖跨度，盡早封閉初支，并充分重視豎向承載體系的連續(xù)性，優(yōu)先砌筑豎向承力永久構件——側墻，盡早形成了豎向永久結構承力體系，以減小施工對圍巖土體帶來的不利影響，確保施工安全正常推進和既有結構穩(wěn)定;二是臨時支撐在二襯施工完成后一次性拆除，減少受力轉換次數(shù)，且受力體系轉換過程短且平穩(wěn)，有效地控制既有1號線沉降。

（2）縱向施工步序（圖4）

第一步：采用微臺階法開挖施工上下臺階，上下臺階的平臺寬度為2m，上臺階開挖至中柱后施工鋼管群樁。微臺階法施工增加工作面，前后干擾較小，利于施工作業(yè)，進度更快。且開挖面積較小，利于掌子面穩(wěn)定，下臺階開挖較為安全;但上下臺階施工相互干擾，增加對圍巖的擾動[3]。

鋼管群樁為A219無縫鋼管填充C50微膨脹混凝土，管頂加設千斤頂，支撐既有車站結構柱。施工中，根據(jù)監(jiān)測結果調整千斤頂頂力，主動控制既有結構沉降，確保在一定范圍內。

第二步：上臺階開挖完成，下臺階開挖至中柱處，進行前半部防水層及底板、中隔墻、頂板二襯結構施工。盡早施工前半部二襯降低既有車站結構沉降，彌補初支鋼度不足，增加安全且減小沉降。

第三步：剩余下臺階開挖，開挖完成后施工剩余段襯砌。

4 沉降監(jiān)測與分析

4.1 既有車站沉降計算

（1）計算模型

為分析新建暗挖施工對既有1號線的沉降影響，采用GTS進行開挖沉降模擬的有限元計算，考慮尺寸效應引起的計算誤差及計算模型的實操性影響，計算范圍：左右邊界取2.5倍既有地鐵1號線寬度，下邊界取2倍既有地鐵1號線高度，既有1號線縱向取150m，圍巖、初支、二襯及既有結構采用8節(jié)點六面體實體單元模擬，圍巖力學模型為d-p模型，梁、柱、板采用彈性模型。該模型（圖5）共計33922個節(jié)點，66340個單元，計算嚴格按照施工工況進行模擬。

（2）計算結果

將模型按原狀土進行初始地應力計算，初始應力計算完畢后，原有模型已經(jīng)按照既有1號線尺寸建立，再一次開挖成形，并同時為既有1號線施加頂板、地板、側墻、梁、柱等結構，形成目前自重應力場的受力狀況，在正式進行模擬新建結構開挖前再一次將應力場歸零處理，消除既有結構對計算的影響，再對新建8號線進行開挖計算分析。得出豎向位移計算結果分析：

8號線車站開挖時，既有1號線發(fā)生沉降，沉降最大值位于1號線和8號線交叉位置。每一步開挖時都對1號線最大位移處的沉降值進行數(shù)值提取，得到既有車站結構豎向位移與沿著車站走向分布的關系（圖6）。

由計算結果可知，新建8號線開挖使得既有1號線產(chǎn)生的最大沉降值為6.8mm<10mm，滿足對既有線的沉降控制要求。

4.2 既有車站施工監(jiān)測

8號線暗挖施工期間對地鐵1號線倪家橋站結構豎向位移、結構水平位移、差異沉降等進行監(jiān)測，重點監(jiān)測結構豎向位移的變化，及時掌握施工期間既有車站的變形趨勢及變形量大小，掌握變形規(guī)律及特性，確保地鐵安全并提供數(shù)據(jù)支撐。通過監(jiān)測得知：地鐵1號倪家橋站上行線豎向位移最大累計變形為4.33mm，下行線豎向位移最大累計變形為4.84mm，均小于預警值6mm和控制值10mm，也小于理論預測最大沉降值6.8mm。

將實測數(shù)據(jù)與預測值進行對比分析，可以判斷設計及施工方案滿足對既有線的沉降控制要求，施工工藝及參數(shù)也滿足要求，對下步施工技術與施工進度可進行有效控制，可確保施工安全順利。

5 結束語

平頂直墻大斷面暗挖法在成都軌道交通8號線一期工程倪家橋站負三層密貼下穿既有1號線車站施工中的成功運用，可得出以下結論：

（1）既有1號線地鐵站底板具有相當?shù)膭偠群蛷姸龋?/p>

將新建暗挖初期支護直接頂撐在1號線車站結構底板上，避免了中間夾層土的壓縮問題，減小了開挖時既有線結構的沉降及變形。

（2）全斷面注漿加固提高了土體承載能力，對開挖時損失的承載力進行了受力托換，同時兼顧防塌、防沉降、封堵地下水等目的。

（3）該方案合理劃分開挖斷面，優(yōu)先開挖并砌筑豎向承力永處構件，盡早形成了豎向的二襯傳力體系。施工不僅強調了土體開挖、初支砌筑階段的防坍塌設計，以及二襯砌筑過程中的受力轉換步序設計，也遵守了“初期快封閉，初支謹防沉降過大，二襯合理轉換”的原則，使其盡早形成封閉受力體系。

（4）本工程施工前對各方案進行對比優(yōu)化，并對既有1號線的沉降進行模擬分析;施工中嚴格控制超前加固、開挖施工步序、鋼管群樁、臨時支撐拆除等關鍵工序，同時進行施工監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬分析數(shù)據(jù)對比分析，實行實際與理論對比動態(tài)控制原則，保證了暗挖順利施工和既有線運營安全;施工后及時進行設計施工方案、施工工藝、施工措施、施工監(jiān)測等技術總結。為后續(xù)類似工程提供了有效參考。

參考文獻：

[1]李冰，郝志宏，李松梅，等.平頂直墻暗挖隧道設計與施工關鍵技術[J].隧道建設，2015，35（12）：1295-1300.

[2]汪國鋒，陶連金，李積棟.密貼下穿既有線的暗挖地鐵車站群頂頂托關鍵技術研究[J].施工技術，2014，43（23）：113-117.

[3]徐峰.太佳高速公路隧道風險評估與災害防治研究[D].長安大學，2011.

[4]吳立.新建地鐵車站近距離下穿既有車站影響研究[D].北京交通大學，2008.