吳 萬 華

(中鐵隧道局集團路橋工程有限公司，天津 300300)

1 概述

近年來，地鐵憑借節(jié)約土地、運量大、效率高、布局城市發(fā)展等優(yōu)勢在國內(nèi)得到了蓬勃發(fā)展[1,2]。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的日益完善，新建地鐵線路下穿既有線問題也隨之增多，進而會對既有線路的正常運行造成不可忽視的影響[3-5]，這也對新建地鐵隧道的施工技術(shù)提出更為嚴苛的要求[6]。

以沈陽市新建九號線隧道下穿一號線(運營線路)為例，通過數(shù)值模擬分析明挖及暗挖施工對既有線車站的影響，驗證既有線的施工安全性；制定既有線監(jiān)控量測方案，結(jié)合現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)及時掌握和提供地鐵一號線對應(yīng)區(qū)域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的變形信息與工作狀態(tài)，指導(dǎo)基坑及下穿安全施工，修正施工參數(shù)或施工工序，保證地鐵一號線對應(yīng)區(qū)間運營安全。

2 工程背景

沈陽市鐵西廣場站為九號線與既有一號線車站的換乘車站，車站位于建設(shè)中路與興華北街路口的北側(cè)，與一號線呈T字型。車站東側(cè)為在建華潤置地商場，西側(cè)為公安局鐵西分局、中國工商銀行鐵西支行等，十字路口東南角為鐵西廣場，西南角為第一商城。地鐵一號線鐵西廣場站基坑深度約為18 m，基坑安全等級為一級，側(cè)壁重要性系數(shù)取1.1，基坑的變形保護等級為一級，一號線施工時已施工九號線下穿段主體結(jié)構(gòu)圍護樁；地鐵九號線鐵西廣場站為島式站臺車站，有效站臺寬12.9 m，車站起點里程DK5+960.162，終點里程DK6+137.132，主體結(jié)構(gòu)總長176.97 m，標準段寬22.0 m。結(jié)構(gòu)形式在小里程端是三層三跨，大里程端是三層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工，換乘節(jié)點下穿段為單層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)，利用一號線預(yù)留條件采用暗挖法施工。

九號線鐵西廣場站分兩部分施工，首先施工地鐵九號線明挖段，施工完成后，下穿既有地鐵一號線鐵西廣場站。本工程位于沈陽地鐵一號線鐵西廣場站車站主體結(jié)構(gòu)控制范圍內(nèi)，施工區(qū)域明挖段與地鐵一號線鐵西廣場站南北相接，暗挖段下穿地鐵一號線鐵西廣場站，對一號線鐵西廣場站直接影響里程范圍約為DK9+440.296～DK9+464.296，詳見圖1。

明挖段車站施工基坑結(jié)構(gòu)地下3層，暗挖段下穿既有一號線鐵西廣場站，開挖深度約26 m，對應(yīng)地鐵一號線鐵西廣場車站埋深約17 m，下穿暗挖段與一號線地鐵車站剖面位置關(guān)系詳見圖2。

3 數(shù)值模擬計算分析

對于明挖和暗挖施工階段，采用midas GTS 軟件建立地層結(jié)構(gòu)模型，進行三維全過程數(shù)值模擬分析。模型大小為95 m×77 m×75 m(長×寬×高)。模型底面僅約束z方向的豎向位移，左右兩個側(cè)面(長度方向)僅約束x方向的水平位移，前后兩個側(cè)面(寬度方向)僅約束y方向的水平位移，模型圖見圖3。

3.1 明挖施工階段既有線車站變形分析

對基坑分層開挖和拆撐二襯回筑進行分步分析。

由圖4可知，明挖階段基坑開挖過程中，靠近明挖基坑側(cè)既有線車站側(cè)墻沉降較大?；娱_挖完成后既有線底板最大沉降值為0.29 mm，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值0.68 mm，發(fā)生于頂板處。

由圖5可知，主體端頭二襯結(jié)構(gòu)施工完成既有線底板最大沉降值為0.44 mm，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值0.88 mm。一號線軌道最大沉降控制值為4 mm，隧道結(jié)構(gòu)水平位移變形控制值為3 mm，明挖階段，既有線沉降及結(jié)構(gòu)最大位移均處于安全范圍之內(nèi)。

3.2 暗挖下穿施工階段既有線車站底板沉降分析

暗挖分析是在基坑開挖完成后進行分步分析的，包含側(cè)洞開挖、中洞開挖、鑿除24軸～25軸預(yù)留中間樁、鑿除23軸與26軸處中間樁、鑿除23軸～24軸與25軸～26軸間中間樁、鑿除臨時混凝土柱。

如圖6所示，暗挖施工導(dǎo)致的車站結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較小，施工完成后側(cè)向位移增大0.08 mm，最大側(cè)向位移值為0.96 mm，位于結(jié)構(gòu)頂板處。

如圖7所示，隨暗挖施工逐步進行，既有線底板各點沉降值逐漸增大；鑿除24軸～25軸預(yù)留支撐樁施工步引起的沉降最大，為0.51 mm；暗挖施工完成后，底板沉降最大值為2.38 mm，位于靠近九號線基坑側(cè)底縱梁下?？紤]降水施工引起的區(qū)域沉降0.4 mm，施工總沉降最大值約為2.78 mm，滿足沉降控制標準，理論上施工方案可以保證一號線運營安全。

4 監(jiān)測方案

本次變形監(jiān)測里程范圍約為DK9+402.296～DK9+502.296段，監(jiān)測區(qū)間長度約100 m，施工基坑臨近地鐵一號線車站左、右線直接影響范圍24 m內(nèi)，每5 m布設(shè)一處監(jiān)測斷面，共布設(shè)5個斷面，東、西方向各外延40 m，每8 m加設(shè)一處斷面(變形縫兩側(cè)各布設(shè)一個)，共加設(shè)10個斷面，共布設(shè)15個斷面，斷面對應(yīng)里程見表1。監(jiān)測依據(jù)CJJ—T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范[7]，GB 50308—2017城市軌道交通工程測量規(guī)范[8]。智能型全站儀布設(shè)在約DK9+450處，基準點布設(shè)于區(qū)間變形范圍之外的隧道側(cè)壁上，共計 4個(每一端2個)，由小里程至大里程依次編號為JZ1，JZ2，JZ3，JZ4。自動化監(jiān)測系統(tǒng)的坐標系采用相對獨立坐標系統(tǒng)，平面坐標系以里程減小且近似平行于隧道的方向為X軸正向，垂直于站一與站二連線的方向為Y軸方向，取測站一位置為坐標原點，高程坐標系取測站一儀器旋轉(zhuǎn)軸中心位置為起算零位置，Z軸鉛直向上為正。

表1 監(jiān)測斷面對應(yīng)地鐵里程表

車站斷面監(jiān)測點布置如圖8所示。

5 現(xiàn)場監(jiān)控量測分析

根據(jù)施工方案，九號線鐵西廣場站施工含以下4個主要階段：地鐵九號線本標段鐵西廣場站基坑明挖施工；地鐵九號線鄰標段鐵興區(qū)間明挖段施工；下穿既有地鐵一號線鐵西廣場站導(dǎo)洞開挖施工；中洞圍護樁破除及施工。下面將按以上施工進度節(jié)點及變形情況分階段進行分析說明。

5.1 地鐵九號線本標段鐵西廣場站基坑開挖施工期

此期間因基坑土體開挖，局部卸載，導(dǎo)致基坑附近地基隆起變形，對既有一號地鐵線鐵西地鐵站影響如下：

1)左線變形情況。

如圖9所示，至基坑開挖完，各監(jiān)測點位的變形量DY(向基坑一側(cè)橫移)累計值普遍在±1.1 mm以內(nèi)，DY方向最大變形量為1.25 mm(左DM09-4)?？梢哉J為，左DM07～左DM0 9號斷面的側(cè)壁點(4號點)存在約1.1 mm，道床點(2號、3號點)存在約0.7 mm，偏向基坑側(cè)的水平位移。

如圖10所示，各監(jiān)測點位的變形量DZ隆沉累計值普遍在±2.80 mm以內(nèi)，DZ方向最大變形量為 2.79 mm(左DM09-2點)?？烧J為，左DM06～左DM10斷面道床存在約2.5 mm，靠近基坑的結(jié)構(gòu)壁存在約2.0 mm的隆起趨勢變形，近基坑側(cè)4號點比遠基坑側(cè)1號點隆起量要小約為0.5 mm。

2)右線變形情況。

右線隧道平面位移從監(jiān)測數(shù)據(jù)上來看不存在趨勢性變化，總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖11所示，右線隧道沉隆位移，在監(jiān)測區(qū)間中部位置的斷面6～斷面10道床監(jiān)測點，存在1.7 mm～2.0 mm的隆起趨勢變形，YCZDM8點隆起最大為2.0 mm，結(jié)構(gòu)壁的變形趨勢與道床監(jiān)測點基本一致，YCZDM10-1點隆起最大為1.7 mm。

5.2 地鐵九號線鄰標鐵興區(qū)間明挖段開挖施工完畢

此期間因鄰標鐵興區(qū)間明挖段開挖，局部卸載，導(dǎo)致地基隆起變形，對既有一號地鐵線鐵西地鐵站影響如下：

1)左線變形情況。

如圖12所示，各監(jiān)測點位的變形量DY(橫向位移)累計值與上一階段相比有減小的趨勢，4號點(基坑側(cè)隧道側(cè)壁)位置由上一階段的約1.2 mm減小到約0.6 mm，2號、3號點(道床)位置回復(fù)到約0 mm，1號點(站臺側(cè))位置，表現(xiàn)為向鄰標段基坑方向約-0.3 mm的變形。

如圖13所示，各監(jiān)測點位的變形量DZ隆起累計值普遍在5.5 mm以內(nèi)，DZ方向最大變形量為5.37 mm(左DM09-2點)?？烧J為，左DM08～左DM10斷面道床存在約5.1 mm，靠近本標段基坑的結(jié)構(gòu)壁4號點位置存在約4.5 mm的隆起趨勢變形。

2)右線變形情況。

如圖14所示，各監(jiān)測點位的變形量DY(橫向位移)累計值普遍在-2.5 mm以內(nèi)，其中斷面6～斷面10靠近鄰標段基坑一側(cè)結(jié)構(gòu)壁存在約-2.2 mm，道床存在約-1.6 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標段基坑。

如圖15所示，各監(jiān)測點位的變形量DZ隆起累計值普遍在4.0 mm以內(nèi)，右DM10-4點(對應(yīng)里程為DK9+462.296)隆起最大，最大值為3.92 mm，斷面6～斷面10存在約為3.90 mm的隆起位移趨勢。右線開始自動化監(jiān)測之前采用人工監(jiān)測，道床及結(jié)構(gòu)普遍呈隆起狀態(tài)，最大隆起點(YCZDM8)隆起值2.0 mm，因此右線實際隆起最大值約5.9 mm。

5.3 下穿既有地鐵一號線鐵西廣場站導(dǎo)洞開挖施工完畢

此期間因本標段下穿暗挖段左、右導(dǎo)洞開始施工，地鐵一號線車站6號、7號斷面及9號、10號斷面正下方開挖，導(dǎo)致相應(yīng)出現(xiàn)位置下沉變形。

1)左線變形情況。

如圖16所示，各監(jiān)測點位的變形量DY(橫向位移)累計值基本與階段2一致。如圖17所示，左線中部隆起值較階段2有所回落，DZ方向最大隆起量為2.48 mm(左DM09-2點)，左DM08～左DM10斷面道床存在約1.6 mm左右，靠近本標基坑的結(jié)構(gòu)壁存在約0.2 mm左右的隆起變形，中部位置1號、4號點的相對高差由階段2的約-0.8 mm變?yōu)榧s-1.8 mm。

2)右線變形情況。

如圖18所示，右線各監(jiān)測點位的變形量DY(橫向位移)變形趨勢與階段2基本一致，量值略有減小，中部斷面存在約-1.0 mm的水平位移，變形方向指向鄰標段基坑。

如圖19所示，右線高程方向表現(xiàn)為隆起回落，右DM08-1點(對應(yīng)里程為DK9+452.296)最大-2.36 mm，中部斷面7～斷面10道床存在約-0.2 mm～-1.0 mm的沉降，靠近鄰標段基坑一側(cè)存在約-2.2 mm的沉降趨勢。中部位置1號、4號點的相對高差由階段2的約0.8 mm變?yōu)榧s1.9 mm。綜合考慮右線自動化監(jiān)測前的隆起量，最大沉降DM08斷面處的累計值應(yīng)在-0.2 mm左右。

5.4 中洞圍護樁破除及施工完畢

此期間因本工程下穿暗挖段中洞開始施工，地鐵一號線車站斷面7～斷面9正下方開挖，且1號線車站施工時為九號線下穿預(yù)設(shè)的兩排支撐樁全部破除，導(dǎo)致8號及相鄰斷面處出現(xiàn)明顯下沉變形。

1)左線變形情況。

如圖20所示，各監(jiān)測點位的變形量DY(向基坑側(cè)橫移)方向累計值普遍在-1.7 mm以內(nèi)，其中部斷面存在約-1.6 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標段基坑。 如圖21所示，各監(jiān)測點位的變形量DZ(隆沉)方向上，總體上表現(xiàn)為中部沉降，DZ方向最大變形量約為-3.3 m(左DM08-1點)。

2)右線變形情況。

如圖22所示，各監(jiān)測點位的變形量DY(橫向位移)累計值普遍在-2.3 mm以內(nèi)，其中中部斷面存在約-2.2 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標段基坑。如圖23所示，各監(jiān)測點位的變形量DZ(隆沉)方向上，總體上表現(xiàn)為中部沉降。累計下沉值普遍在-4.5 mm以內(nèi)，右DM08-4點沉降最大，最大值約為-4.5 mm。綜合考慮人工與自動化的監(jiān)測成果，最大沉降DM08斷面處的累計值約為-2.6 mm。

6 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬分析明挖及暗挖施工對既有線車站的影響，驗證既有線的施工安全性，制定既有線監(jiān)控量測方案，結(jié)合自動化監(jiān)測現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)及時掌握和提供地鐵一號線對應(yīng)區(qū)域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的狀態(tài)信息，及時指導(dǎo)施工，確保了工程安全，自動化監(jiān)測起到了重要的地鐵保護與安全保障的作用。

1)通過三維數(shù)值模擬，驗證了該施工方案對既有線沉降及結(jié)構(gòu)最大位移的影響均處于安全范圍之內(nèi)。

2)在整個監(jiān)測期，系統(tǒng)運行正常，儀器設(shè)備狀態(tài)良好，監(jiān)測成果準確可靠，反映了既有線車站地鐵隧道在各施工階段的變形情況。

3)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，工后1個月基本無趨勢性變化，可以認為一號線鐵西車站呈穩(wěn)定狀態(tài)。

4)鑒于在九號線施工過程中，特別是中洞破樁施工后，斷面6～斷面10出現(xiàn)先隆起、后沉降的現(xiàn)象，已形成了沉降槽，斷面最大沉降處于安全范圍之內(nèi)。為確保地鐵運營的安全，需要重視對變形區(qū)域的軌道平順性的檢測。

5)本文以數(shù)值模擬與現(xiàn)場自動化監(jiān)測相結(jié)合的模式指導(dǎo)施工的安全進行，該模式對地鐵隧道的建設(shè)具有借鑒意義。