劉露超 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著我國城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程逐步加快，城市人口急劇增加，對(duì)城市交通運(yùn)輸?shù)膲毫υ絹碓酱?。而軌道交通已?jīng)成為人們出行的一種主要交通方式，對(duì)城市的交通疏導(dǎo)發(fā)揮著無法取代的作用。軌道交通建設(shè)除了考慮自身因素外，還需要考慮與既有線路的關(guān)系，包括下穿既有線路、上穿既有線路和平行既有線路等。在三種關(guān)系中，下穿既有線路無疑是影響最大的一類，一旦發(fā)生問題將會(huì)影響既有線路的運(yùn)營通車，導(dǎo)致破壞性的后果。而一旦軌道交通發(fā)生破壞并且影響了運(yùn)營的要求，將會(huì)對(duì)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生極大的危害，因此需要對(duì)新建軌道交通工程下穿既有線路的設(shè)計(jì)、施工進(jìn)行分析研究，以保證既有線路的安全運(yùn)營。

由于城市規(guī)劃調(diào)整或建設(shè)理念等原因，大部分既有線的建設(shè)并未對(duì)規(guī)劃線路進(jìn)行穿越條件的預(yù)留，勢(shì)必造成后期新建線路必須采用臨近施工的方式穿越既有線。在上述情況下如何保證既有線安全運(yùn)營以及新建軌道交通結(jié)構(gòu)本身的安全是必須解決的兩大難題。本文以合肥市軌道交通某換乘車站為例，在綜合研究國內(nèi)外下穿既有線工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對(duì)各施工工法的研究比選，確定了下穿既有線暗挖段的結(jié)構(gòu)體系選型和施工工法。并通過三維有限元模擬計(jì)算驗(yàn)證了方案的合理性。最后對(duì)暗挖段施工的關(guān)鍵工序提出相應(yīng)的施工措施，同時(shí)對(duì)既有線的保護(hù)提出相應(yīng)的控制措施。以期能對(duì)后續(xù)同類工程的方案設(shè)計(jì)和施工工法提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 車站概況

合肥市軌道交通紫廬站為1號(hào)線與7號(hào)線十字交叉換乘車站，1號(hào)線實(shí)施時(shí)考慮到遠(yuǎn)期7號(hào)線的不確定因素較大，1號(hào)線紫廬站未對(duì)換乘做任何預(yù)留。

1號(hào)線紫廬站沿廬州大道南北向布置，為路側(cè)淺埋側(cè)式車站，車站主體為地下一層三柱四跨鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，車站兩端設(shè)下沉式廣場(chǎng)，兩側(cè)側(cè)墻延伸至地面兼做下沉式廣場(chǎng)擋土墻，全部采用明挖順作法施工。有效站臺(tái)中心處覆土厚約3.1m，車站外包總長167.5m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為25.8m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約11.15m。1號(hào)線紫廬站已于2016年開通運(yùn)營。

7號(hào)線紫廬站沿紫云路路中東西向布置，為地下二層島式站，暗挖段車站主體為地下一層雙柱三跨鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)。有效站臺(tái)寬14m，車站總長554.75m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬22.9m。穿越既有軌道交通1號(hào)線采用暗挖法施工，暗挖段兩端車站采用明挖法施工。

1.2 工程、水文地質(zhì)概況

1.2.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)本項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告，擬建工程范圍為二級(jí)階地地貌，車站范圍內(nèi)自上而下土層依次為：①人工填筑土：稍濕，稍密，層厚0.4m～4.1m；①素填土：以粘性土為主，可塑～硬塑狀，層厚0.5m～5.8m；③硬塑狀黏土：干強(qiáng)度高，韌性高，該層穩(wěn)定，連續(xù)性較好，層厚3.7～36.7m；③硬塑狀粉質(zhì)黏土：干強(qiáng)度高，韌性高，該層穩(wěn)定，連續(xù)性較好，層厚1.5～6m；⑤全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥巖：風(fēng)化成硬塑～堅(jiān)硬狀，層厚0.6m～15.8m；⑤強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥巖：巖質(zhì)軟，遇水易軟化，失水后開裂明顯，鉆孔揭露層厚0.7m～7.7m；⑤中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥巖：巖質(zhì)軟，手捏可碎，遇水易軟化崩解，巖體較破碎～較完整，埋深較深。

地層物理力學(xué)特性指標(biāo)詳見表1。

土層物理力學(xué)參數(shù)表 表1

1.2.2 水文地質(zhì)概況

場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水類型為孔隙水和基巖裂隙水。本工程巖層較深，無砂層，地下水以孔隙水為主，主要位于第四系人工填土層、粘性土層中。其中粘性土層為不透水～弱透水層，富水性弱，水量貧乏。人工填土中賦存少量上層滯水。根據(jù)鉆孔揭露，地下水埋深0～5.6m。

圖1 紫廬站總平面圖

圖2 平頂直墻CRD中洞法工藝技術(shù)

圖3 紫廬站暗挖段縱剖面圖

圖4 紫廬站暗挖段橫剖面圖

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 工法優(yōu)選

關(guān)于暗挖法下穿既有線在我國已有大量的工程實(shí)例及豐富的研究成果，近年來主要的工程實(shí)例及其使用的工法、相關(guān)措施匯總?cè)绫?。

國內(nèi)主要暗挖下穿既有線工程實(shí)例匯總表 表2

在綜合研究以往下穿既有線工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對(duì)各施工工法的研究比選，本工程下穿既有線決定采用淺埋暗挖平頂直墻CRD中洞法工藝施工，密貼下穿既有車站。

淺埋暗挖的基本原理是通過對(duì)地層的適當(dāng)加固和處理，合理調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力，采用短進(jìn)尺開挖，及時(shí)施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)并封閉成環(huán)，使圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形成聯(lián)合支護(hù)體系以共同承擔(dān)施工階段荷載，在變形基本穩(wěn)定以后施作二次襯砌。初期支護(hù)承擔(dān)全部基本設(shè)計(jì)荷載，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備。這種先柔后剛的復(fù)合式新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系較好地克服了暗挖工程中的不可預(yù)知性。

而CRD中洞法遵守“小分塊、短臺(tái)階、早成環(huán)、環(huán)套環(huán)”以及“豎向留坡、縱向錯(cuò)臺(tái)”的施工原則，施工時(shí)分塊施工，優(yōu)先構(gòu)筑豎向支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件。首先施工中洞，在完成中洞的初支后，立即施作該部分的二次襯砌，通過中洞的梁柱體系減少暗挖變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的剛性支撐，能較好控制初支沉降變形及保護(hù)鄰近構(gòu)筑物。中洞施工完成后兩側(cè)導(dǎo)洞對(duì)稱施工，以解決從中洞初期支護(hù)轉(zhuǎn)移到梁柱上時(shí)產(chǎn)生的不平衡壓力問題，兩側(cè)導(dǎo)洞的懸壁板（梁）采用鋼支撐進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。CRD中洞法能夠有效控制變形發(fā)展，比較容易控制施工引起的地層沉降，減少對(duì)既有軌道交通的影響。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程車站暗挖下穿段采用直墻平頂單層三跨矩形斷面的形式，暗挖結(jié)構(gòu)由鋼格柵+噴射混凝土的初期支護(hù)和模筑鋼筋混凝土的二次襯砌構(gòu)成，兩次襯砌之間設(shè)柔性防水層。暗挖施工前打設(shè)管棚和超前小導(dǎo)管。暗挖段結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

暗挖段結(jié)構(gòu)參數(shù)表 表3

2.3 計(jì)算分析

采用MIDAS-GTS有限元分析軟件，建立三維有限元模型，對(duì)暗挖施工引起周圍地表、既有車站沉降進(jìn)行計(jì)算分析，三維數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 三維數(shù)值模型

計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖6 隧道施工后地表豎向位移云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，暗挖下穿段施工完成后，地表最大沉降量為4.0mm，暗挖施工引起的地表沉降滿足規(guī)范要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，暗挖下穿段施工完成后，既有車站最大沉降量為2.2mm，最大水平位移為0.4mm，計(jì)算結(jié)果表明暗挖下穿段在施工過程中對(duì)既有車站的影響滿足既有車站保護(hù)要求，因此采用平頂直墻CRD中洞法密貼下穿既有1號(hào)線車站，能保證既有車站的安全，方案可行。

3 工程重難點(diǎn)分析

本工程車站換乘交叉節(jié)點(diǎn)位置，7號(hào)線密貼下穿既有1號(hào)線。既有1號(hào)線車站為單層四跨平頂直墻結(jié)構(gòu)，高7.86m，頂板覆土厚度約3.1m。新建7號(hào)線車站暗挖段為單層三跨平頂直墻結(jié)構(gòu)，寬度22.9m，高7.25m，下穿段長度30.2m。7號(hào)線下穿段車站頂板與1號(hào)線車站底板凈距0.73m。通過對(duì)設(shè)計(jì)方案和施工工法的研究，以及合肥地區(qū)相關(guān)暗挖工程的調(diào)研，本工程暗挖施工的重難點(diǎn)主要有：①暗挖施工期間需保證1號(hào)線的正常運(yùn)營，因此既有1號(hào)線的沉降控制要求非常高（約5mm內(nèi)）；②本工程暗挖段所穿越的地層為黏土及粉質(zhì)黏土層，無砂層或其他透水層，且無地下水。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，合肥地區(qū)的黏土雖然自身強(qiáng)度較高，但注漿效果差。若對(duì)掌子面進(jìn)行大范圍深孔注漿，不但難以達(dá)到注漿效果，還可能造成既有車站底板隆起。因此需優(yōu)先考慮剛度大的超前初期支護(hù)，如型鋼格柵鋼架、管棚/管幕等。③暗挖段掘進(jìn)方向與既有車站側(cè)墻、底縱梁垂直，因此既有車站結(jié)構(gòu)向下傳導(dǎo)的內(nèi)力并不是完全均勻的。

4 主要施工措施

針對(duì)上述本工程的重難點(diǎn)，對(duì)暗挖段施工的關(guān)鍵工序提出相應(yīng)的施工措施。

4.1 開挖步序要求

①每個(gè)導(dǎo)洞分別采用臺(tái)階法開挖，一般循環(huán)進(jìn)尺長度0.5m，下穿既有車站墻體、底縱梁時(shí)循環(huán)進(jìn)尺長度0.35m；②開馬頭門前，暗挖段頂部需先打設(shè)管棚支護(hù)。施工每個(gè)導(dǎo)洞前，每個(gè)導(dǎo)洞側(cè)邊施工拱部小導(dǎo)管超前支護(hù)；③初期支護(hù)收斂穩(wěn)定后，在初期支護(hù)背后注漿，使初期支護(hù)與地層及既有1號(hào)線車站底板密貼；④在噴射混凝土表面進(jìn)行砂漿找平，鋪設(shè)防水層后自下而上灌注二次襯砌。頂部二次襯砌預(yù)留壓漿孔，保證初期支護(hù)與二襯之間密實(shí)。

4.2 鎖腳錨管要求

根據(jù)施工步序，每個(gè)臺(tái)階設(shè)置鎖腳錨管，一處打設(shè)一根，以防止格柵鋼架架設(shè)后下沉。

4.3 初支背后注漿要求

初期支護(hù)完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，保證初支背后密實(shí)。注漿距開挖工作面5米的地方進(jìn)行。初支頂部注漿管注漿完成后，需保證與既有1號(hào)線車站結(jié)構(gòu)底板之間沒有空隙，以減少既有車站的沉降變形。

5 既有線保護(hù)措施

①嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、強(qiáng)支護(hù)、短開挖、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則，做到隨挖隨支。施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)新建暗挖段及既有車站結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測(cè)，并及時(shí)反饋信息，以根據(jù)實(shí)際情況修正設(shè)計(jì)參數(shù)，確保施工安全。

②當(dāng)開挖至既有車站結(jié)構(gòu)的側(cè)墻及底縱梁時(shí)，需加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，加密格柵鋼架，減小開挖步長，及時(shí)施作二襯結(jié)構(gòu)墻、柱，對(duì)既有車站進(jìn)行有效支撐。同時(shí)初支及二襯背后應(yīng)及時(shí)填充注漿。

圖7 暗挖施工后車站結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖8 暗挖施工后車站結(jié)構(gòu)水平位移云圖

③暗挖段兩側(cè)明挖基坑范圍內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)施作到頂板，且馬頭門上方施作超前加固措施之后，方可破除馬頭門，施作車站暗挖段。

④提前打設(shè)剛性超前支護(hù)管棚及小導(dǎo)管，縮短施工進(jìn)尺，及早封閉支護(hù)，減少施工對(duì)地層的擾動(dòng)。

6 結(jié)語

合肥市軌道交通7號(hào)線紫廬站下穿既有線車站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工，在合肥市尚屬首例。經(jīng)過多方面的對(duì)比論證，并對(duì)施工過程進(jìn)行三維有限元模擬分析，暗挖段結(jié)構(gòu)形式采用平頂直墻，施工工法采用淺埋暗挖CRD中洞法工藝密貼下穿既有車站，能夠有效控制既有車站和地表的沉降變形，能夠保證既有線的安全運(yùn)營和新建車站結(jié)構(gòu)自身的安全。為日后同類工程的方案設(shè)計(jì)和施工提供了參考。