成都地鐵19號(hào)線天府商務(wù)區(qū)站矩形斷面礦山法零距離下穿既有車(chē)站施工方案

楊鳳梅 葉至盛

(1.中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，311122，杭州; 2.中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，100044，北京∥第一作者，高級(jí)工程師)

近年來(lái)，隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的快速發(fā)展，穿越既有地鐵運(yùn)營(yíng)車(chē)站的新地鐵車(chē)站施工逐步成為地鐵建設(shè)的常態(tài)。由于線路和規(guī)劃等發(fā)生變化，換乘站中的先建車(chē)站往往無(wú)法給后建車(chē)站提供理想的預(yù)留條件；而后建車(chē)站的施工也會(huì)不同程度地對(duì)既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站結(jié)構(gòu)造成影響，甚至可能危及運(yùn)營(yíng)安全。新建線路近距離下穿既有線或車(chē)站，既要考慮既有線或車(chē)站的沉降變形，又要考慮線路運(yùn)行安全，故施工工序復(fù)雜，工藝要求高[1-5]。

本文基于新建的成都地鐵19號(hào)線天府商務(wù)區(qū)站采用矩形斷面礦山法零距離下穿既有地鐵運(yùn)營(yíng)車(chē)站項(xiàng)目，針對(duì)施工難點(diǎn)重點(diǎn)，進(jìn)行具體施工方案的比選，并解讀了施工中的控制措施，以期為后續(xù)類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

成都地鐵6號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“6號(hào)線”)天府商務(wù)區(qū)站和成都地鐵19號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“19號(hào)線”)天府商務(wù)區(qū)站為十字形換乘。其總平面示意圖如圖1所示。其中：6號(hào)線車(chē)站已于2020年底運(yùn)營(yíng)，其主體結(jié)構(gòu)為地下3層雙柱3跨框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)235.2 m、寬23.3 m、深25.8 m；新建的19號(hào)線車(chē)站為地下4層雙柱3跨框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)220.0 m、寬28.6 m、深35.7 m，頂板覆土厚3～4 m。19號(hào)線車(chē)站大部分采用明挖法施工，其下穿6號(hào)線車(chē)站的部分采用礦山法暗挖施工。

圖1 天府商務(wù)區(qū)站總平面示意圖

1.2 礦山法施工部分與運(yùn)營(yíng)車(chē)站關(guān)系

礦山法施工部分沿19號(hào)線線路方向長(zhǎng)23.3 m，寬33.6 m。該部分車(chē)站為地下4層矩形框架結(jié)構(gòu)。如圖2所示,19號(hào)線暗挖段位于負(fù)4層，其余三層與6號(hào)線相接。負(fù)4層部分結(jié)構(gòu)高10.4 m，埋深為24.8 m。開(kāi)挖范圍需破除6號(hào)線底板下方12根φ1.2 m、長(zhǎng)10 m的抗拔樁，再新建19號(hào)線車(chē)站永久結(jié)構(gòu)(包括板梁柱、側(cè)墻及抗拔樁)，其中新建車(chē)站的頂板密貼既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站的底板。

圖2 下穿地段沿19號(hào)線方向縱剖面圖

1.3 地質(zhì)條件

礦山法施工段位于中風(fēng)化泥巖地層，其圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，地層巖性較好。不良地質(zhì)主要為低瓦斯有害氣體及斷層，特殊巖土為膨脹巖、風(fēng)化巖及石膏。勘察期間車(chē)站范圍地下水位埋深約為2.0～14.7 m，平均滲透系數(shù)為0.44 m/d，屬弱-中等透水層。

1.4 施工重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.4.1 新建車(chē)站與預(yù)留的下穿條件不匹配

6號(hào)線在建設(shè)期已在地下二層預(yù)留19號(hào)線軌行區(qū)穿越條件。但后因城市核心商務(wù)區(qū)規(guī)劃及地塊開(kāi)發(fā)等條件發(fā)生變化，19號(hào)線車(chē)站從地下2層調(diào)整為地下4層，無(wú)法匹配6號(hào)線預(yù)留的下穿實(shí)施條件，只能采用礦山法下穿既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站的底板。而類(lèi)似案例少，難以借鑒相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)。

1.4.2 零距離下穿施工中的既有車(chē)站沉降控制

由于拱形受力效果較好，礦山法施工斷面通常設(shè)計(jì)為馬蹄形斷面。為減少新建車(chē)站埋深，節(jié)約工程投資，本工程設(shè)計(jì)將新建車(chē)站頂板密貼運(yùn)營(yíng)車(chē)站底板，二者間無(wú)空隙。因此，只能采用矩形斷面礦山法來(lái)施工。

本項(xiàng)目為超規(guī)模危大工程，為確保既有線的安全運(yùn)營(yíng)，既有線沉降控制指標(biāo)僅為10 mm，差異沉降控制指標(biāo)為4 mm。無(wú)論是施工過(guò)程中的控制不當(dāng)，還是在開(kāi)挖施工階段有土體自穩(wěn)性不好、開(kāi)挖支護(hù)不及時(shí)或初期支護(hù)收斂變形較大等問(wèn)題，或是在結(jié)構(gòu)施工階段新舊框架體系不密貼等，都會(huì)使運(yùn)營(yíng)車(chē)站結(jié)構(gòu)沉降超過(guò)控制值，進(jìn)而影響運(yùn)營(yíng)安全。

1.4.3 主體結(jié)構(gòu)防水質(zhì)量

暗挖段主體結(jié)構(gòu)須分塊施工，逐步形成完整主體結(jié)構(gòu)，故施工分縫較多?？紤]到本站埋深大、地下水位高的特點(diǎn)，則主體結(jié)構(gòu)施工縫防水質(zhì)量是本工程質(zhì)量控制的重點(diǎn)。

1.4.4 技術(shù)難點(diǎn)

下穿段結(jié)構(gòu)頂板施工空間有限，難以控制澆筑振搗質(zhì)量。故應(yīng)于場(chǎng)外設(shè)試驗(yàn)段，并在關(guān)模前提前完成澆筑管預(yù)埋，確定詳細(xì)澆筑方案，以確保頂板密實(shí)。

本項(xiàng)目中，首先，對(duì)既有線車(chē)站底板底部進(jìn)行鑿毛并清理；然后，通過(guò)植筋與新建的建筑結(jié)構(gòu)頂板鋼筋連接，再澆筑微膨脹混凝土成為整體，以保證受力連續(xù)。此外在澆筑過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)振搗、保證密實(shí)。

新增抗拔樁施工原設(shè)計(jì)采用人工挖孔樁，施工進(jìn)度慢、風(fēng)險(xiǎn)高、對(duì)工期不利。后來(lái)引進(jìn)了改良的低矮旋挖鉆進(jìn)行機(jī)械施工，大大提高成樁效率。

2 施工方案比選

19號(hào)線天府商務(wù)區(qū)站礦山法施工部分(以下簡(jiǎn)為“礦山法部分”)的實(shí)施可采用導(dǎo)洞法施工方案或分段法施工方案。

2.1 導(dǎo)洞法施工方案

如圖3所示，導(dǎo)洞法開(kāi)挖共設(shè)置4個(gè)導(dǎo)洞。其施工過(guò)程為：首先，按①→②→③→④順序交錯(cuò)開(kāi)挖；并在導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)于抗拔樁底部新建條形基礎(chǔ)，形成抗拔樁+條形基礎(chǔ)的臨時(shí)支撐體系；待導(dǎo)洞全部貫通后，按⑤→⑥→⑦→⑧順序擴(kuò)挖剩余土體；每個(gè)擴(kuò)挖區(qū)貫通后，緊跟施工該區(qū)域19號(hào)線車(chē)站的結(jié)構(gòu)和臨時(shí)鋼立柱，并破除6號(hào)線的抗拔樁+條基臨時(shí)支撐；待永久結(jié)構(gòu)全部形成后再拆除鋼立柱，實(shí)現(xiàn)由臨時(shí)支撐到永久框架結(jié)構(gòu)的受力體系轉(zhuǎn)換。導(dǎo)洞法施工方案的支撐體系如圖4所示。

圖3 導(dǎo)洞法開(kāi)挖示意圖

圖4 導(dǎo)洞法施工支撐體系示意圖

該方案主要優(yōu)點(diǎn)為：每道施工工序均有明確的豎向支撐體系作用，運(yùn)營(yíng)車(chē)站的變形及沉降相對(duì)易控制。

2.2 分段法施工方案

如圖5所示，分段法將斷面分為7個(gè)開(kāi)挖區(qū)域，每個(gè)區(qū)域采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，同時(shí)破除6號(hào)線抗拔樁。首先，開(kāi)挖①→②→③→④區(qū)域土體，并隨開(kāi)挖進(jìn)程進(jìn)行支護(hù)；每開(kāi)挖一段區(qū)域，隨即形成永久結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行下一段區(qū)域開(kāi)挖。然后，開(kāi)挖⑤→⑥→⑦區(qū)域土體，依次施做永久結(jié)構(gòu)。施工期間主要利用未開(kāi)挖土體和新筑主體結(jié)構(gòu)形成支撐體系(如圖6所示)。

圖5 分段法開(kāi)挖示意圖

圖6 分段法施工的支撐體系示意圖

2.3 方案比選

本文從施工工序等不同方面對(duì)2個(gè)施工方案進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 方案對(duì)比

由表1可見(jiàn)，分段法施工方案優(yōu)勢(shì)明顯，故本工程采用分段法施工。

3 既有結(jié)構(gòu)受力及變形的仿真計(jì)算

本文采用MIDAS-GTS NX有限元軟件，建立地層-車(chē)站結(jié)構(gòu)仿真模型，對(duì)開(kāi)挖施工階段既有車(chē)站的結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力影響進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)正常使用階段既有車(chē)站的承載力進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。

3.1 結(jié)構(gòu)概況及主要支護(hù)參數(shù)

礦山法施工段開(kāi)挖斷面有5.4 m(寬)×10.4 m(高)、4.8 m(寬)×10.4m(高)兩種。隧道按區(qū)域采用上下臺(tái)階法分部施工，每部循環(huán)進(jìn)尺按0.5 m控制。

開(kāi)挖施工過(guò)程中設(shè)置的噴錨支護(hù)，在后期施作結(jié)構(gòu)時(shí)需部分拆除。噴錨支護(hù)設(shè)置Ⅰ28a工字鋼架；鋼架間距為0.5 m，且在鋼架兩側(cè)打設(shè)鎖腳錨管；噴射混凝土采用0.35 m厚的C25混凝土。19號(hào)線車(chē)站結(jié)構(gòu)尺寸為23.3 m(長(zhǎng))×33.6 m(寬)×10.4 m(高)，采用C35、P12防水混凝土。

3.2 開(kāi)挖施工階段

本文采用MIDAS-GTS NX有限元軟件，建立地層-車(chē)站結(jié)構(gòu)模型如圖7所示，對(duì)開(kāi)挖施工階段既有車(chē)站的結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7 開(kāi)挖施工階段的地層-車(chē)站結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

3.2.1 模型選擇及本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)分段法施工步序，計(jì)算時(shí)假定圍巖為連續(xù)介質(zhì)，采用四面體單元模擬；車(chē)站結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M。圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中考慮其塑性變形，采用修正摩爾庫(kù)倫彈塑性準(zhǔn)則；而車(chē)站結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系[6-7]。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

從圖8所示的計(jì)算結(jié)果可看出，暗挖施工過(guò)程中引起車(chē)站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向最大位移出現(xiàn)在圖5所示中開(kāi)挖步驟5的6號(hào)線底板位置，為4.6 mm，小于規(guī)范要求的10 mm，滿足變形控制要求。

圖8 車(chē)站豎向位移計(jì)算云圖

3.3 正常使用階段

暗挖節(jié)點(diǎn)處荷載-車(chē)站結(jié)構(gòu)三維模型如圖9所示。對(duì)暗挖節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。在暗挖節(jié)點(diǎn)處，既有結(jié)構(gòu)頂板厚0.9 m、中板厚0.4 m、底板厚1.1 m。

圖9 正常使用階段的荷載-車(chē)站結(jié)構(gòu)三維有限元模型

a)X向基本組合彎矩Mxx

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，在正常使用階段6號(hào)線底板均可滿足承載力要求。進(jìn)一步配筋驗(yàn)算可知，裂縫控制要求同樣滿足。

4 主要保護(hù)性施工控制措施

4.1 運(yùn)營(yíng)車(chē)站變形控制措施

主要應(yīng)對(duì)措施：①運(yùn)營(yíng)車(chē)站采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，暗挖段施工根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果信息化施工；②暗挖段嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙的步序施工，分部、分層、分段開(kāi)挖，及時(shí)跟進(jìn)型鋼拱架及噴錨支護(hù)，施工期間加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)；③施工前制定應(yīng)急預(yù)案，包括加強(qiáng)超前支護(hù)、初期支護(hù)、增設(shè)臨時(shí)支撐等措施，有效控制運(yùn)營(yíng)車(chē)站變形量，確保結(jié)構(gòu)安全;④暗挖施工期間，運(yùn)營(yíng)車(chē)站上方不得超載;⑤與運(yùn)營(yíng)公司建立溝通聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

4.2 對(duì)多條施工縫的結(jié)構(gòu)防水施工措施

主要應(yīng)對(duì)措施：①施工縫位置設(shè)置止水鋼板，并控制止水鋼板安裝質(zhì)量；②加強(qiáng)防水措施，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上施工縫加設(shè)橡膠止水條、預(yù)埋注漿管；③加強(qiáng)施工縫處理，每倉(cāng)混凝土澆筑后及時(shí)有效地進(jìn)行鑿毛處理，新澆筑混凝土前用高強(qiáng)度水泥漿預(yù)處理；④若出現(xiàn)滲漏水情況時(shí)，采取專(zhuān)項(xiàng)措施及時(shí)堵漏，制定專(zhuān)項(xiàng)方案,使用專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍,采用專(zhuān)項(xiàng)材料,并經(jīng)專(zhuān)業(yè)驗(yàn)收。

5 監(jiān)測(cè)及分析

采用徠卡TM30測(cè)量機(jī)器人(測(cè)角精度為0.5″，測(cè)邊精度為0.6 mm+10-6測(cè)距)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用錨固方式將小棱鏡固定在道床，以及結(jié)構(gòu)邊墻的中部與頂部。TM30測(cè)量機(jī)器人以3～6次/d的頻率自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)三維數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至控制中心。經(jīng)過(guò)粗差剔除及數(shù)據(jù)平差，即可計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移和豎向位移。

由圖11—圖13可見(jiàn)：礦山法施工至主體框架結(jié)構(gòu)澆筑完成期間，既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板水平、豎向位移無(wú)明顯變形趨勢(shì)，變形均小于-1 mm；既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站道床的水平位移與豎向位移均較小，上下行隧道變化趨勢(shì)相近，位移均小于-1 mm，結(jié)構(gòu)施工完成后變形趨勢(shì)收斂；道床橫向、縱向無(wú)明顯不均勻差異沉降。

a)水平位移

a)水平位移

a)橫向差異位移

既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)成果如表2所示。將各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)結(jié)果與其目標(biāo)控制值對(duì)比可見(jiàn)：運(yùn)營(yíng)車(chē)站的結(jié)構(gòu)及軌行區(qū)豎向位移較小，控制效果良好；所有測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均未超控制值。

表2 既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

新建的19號(hào)線天府商務(wù)區(qū)站零距離下穿既有地鐵運(yùn)營(yíng)車(chē)站，采用礦山法施工，具有較大施工難度。

經(jīng)比較，分段法施工方案支撐體系轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單、工序少、工期短、施工縫少且防水效果好，更適用于本工程。經(jīng)仿真計(jì)算，分段法施工既能滿足既有車(chē)站結(jié)構(gòu)變形、承載力及裂縫控制要求，又能保證運(yùn)營(yíng)車(chē)站安全。本文還總結(jié)了對(duì)既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站的主要保護(hù)性施工控制措施,并采用先進(jìn)的儀器和技術(shù)對(duì)既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站變形控制效果良好，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均未超出控制值，上部運(yùn)營(yíng)車(chē)站處于安全可控狀態(tài)。