丁華興，謝 俊，陳壽根

(1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029； 2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 引言

目前，國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，各地城市總體規(guī)劃及線網(wǎng)規(guī)劃更新加快，早期規(guī)劃的地鐵線路密度難以滿足日益增加的客流及崗位需求，從而出現(xiàn)了大量已運(yùn)營地鐵車站未預(yù)留新增地鐵線路換乘條件的情況。在已運(yùn)營地鐵車站下方增加換乘車站的大空間土體開挖施工，將改變原設(shè)計(jì)上部車站的受力狀態(tài)，原設(shè)計(jì)中用于抗拔的樁基無法滿足下部新增換乘車站施工期間的結(jié)構(gòu)承載能力，需要通過其他手段及施工方法來解決。國內(nèi)外已經(jīng)對該類工程進(jìn)行了相關(guān)研究，也取得了很多成果。張成平[1-2]、房倩等[3]以北京地鐵5號線崇文門暗挖車站下穿既有地鐵隧道施工為背景，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)評估制訂了既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，并制定了各施工步序的沉降控制值；王春輝[4]結(jié)合北京地鐵運(yùn)營公司對于安全運(yùn)營的維修措施，利用ANSYS有限元軟件對既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進(jìn)行了分析，劃分了各種工況下新建地下工程對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響因素；趙江濤等[5]學(xué)者對洞樁法地鐵車站順行密貼下穿既有隧道方案進(jìn)行優(yōu)化研究，保證了新建車站下穿既有大屯路隧道的順利施工；李兆平等[6]對南京地鐵1號線南京地鐵車站80°角下穿南京火車站既有鐵路站場工況進(jìn)行優(yōu)化，對線路采用D24型便梁加固，確保了鐵路線路的運(yùn)行安全和隧道施工安全；趙衍發(fā)[7]以北京地鐵4號線宣武門車站下穿既有工程為背景，采用數(shù)值分析計(jì)算、現(xiàn)場監(jiān)測等手段對淺埋暗挖法下穿既有地鐵車站的風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行了系統(tǒng)研究；張旭[8]以北京地鐵6號垂直密貼下穿既有2號線朝陽門站為工程背景，采用FLAC3D有限差分軟件模擬分析了密貼下穿施工引起既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析與安全評價(jià)。

盡管已有相關(guān)學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)下穿既有工程的施工控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，但由于工程的獨(dú)特性、唯一性，目前為止仍沒有系統(tǒng)全面地揭示下穿施工對既有地鐵車站的影響規(guī)律。施工、設(shè)計(jì)往往憑借經(jīng)驗(yàn)估算，缺乏科學(xué)的依據(jù)。因此在已運(yùn)營地鐵地下車站下方新增換乘節(jié)點(diǎn)問題上，亟待研究設(shè)計(jì)一套新型的施工方法，能夠較好的確保已運(yùn)營地鐵線路的運(yùn)營安全及施工安全，有效實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的優(yōu)質(zhì)、高效。

1 工程概況

深圳地鐵7號線石廈站換乘節(jié)點(diǎn)位于福民路與石廈北二街十字交叉路口，從既有已運(yùn)營深圳地鐵3號線車站結(jié)構(gòu)下部穿過，該換乘節(jié)點(diǎn)呈T型布置。地下3層換乘節(jié)點(diǎn)長41.8 m，寬20.6 m，凈高9.5 m。地層結(jié)構(gòu)自地表以下依次為：素填土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，礫砂，礫質(zhì)黏性土，全風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，中、微風(fēng)化花崗巖。節(jié)點(diǎn)基底位于強(qiáng)風(fēng)化層，局部為全風(fēng)化層。地下水主要有第四系孔隙水及基巖裂隙水，水位埋深3.6 m～4.3 m。深圳地鐵7號線石廈換乘站周邊環(huán)境、結(jié)構(gòu)平面見圖1。

由于深圳地鐵3號線已運(yùn)營，工程狀況已發(fā)生了較大變化，原預(yù)留條件為僅考慮在未覆土、未運(yùn)營工況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已不能滿足現(xiàn)有實(shí)際工況下的受力、變形要求。并且由于現(xiàn)場南側(cè)有一幅連續(xù)墻未施工完成，無法形成封閉止水。原有驗(yàn)證結(jié)果無法滿足實(shí)際需要，需對現(xiàn)有工況重新進(jìn)行驗(yàn)證。

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 換乘節(jié)點(diǎn)車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋計(jì)算

-3層換乘節(jié)點(diǎn)內(nèi)增設(shè)電纜夾層板(400 mm厚)，-3層層高凈跨顯著減小，層高減小到7.5 m。疊合墻取800 mm厚(考慮到3號線施工時(shí)連續(xù)墻出現(xiàn)較大變形，墻體質(zhì)量和剛度有所下降，對-3層換乘節(jié)點(diǎn)疊合墻厚度適當(dāng)折減進(jìn)行檢算，連續(xù)墻厚度折減為原厚度的50%，即疊合墻厚度取800 mm)。具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算模型圖以及彎矩內(nèi)力圖如圖2和圖3所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值如下：

1)疊合墻內(nèi)側(cè)跨中正彎矩：標(biāo)準(zhǔn)值811.0 kN·m。

2)疊合墻外側(cè)上端負(fù)彎矩：標(biāo)準(zhǔn)值600 kN·m。

3)疊合墻外側(cè)下端負(fù)彎矩：標(biāo)準(zhǔn)值1 100 kN·m。

4)底板兩端負(fù)彎矩：標(biāo)準(zhǔn)值1 530 kN·m。

5)底板跨中正彎矩：標(biāo)準(zhǔn)值710 kN·m。

綜上，結(jié)構(gòu)配筋均滿足要求。

2.2 既有深圳地鐵3號線豎向沉降計(jì)算

采用ADINA有限元程序三維建模進(jìn)行計(jì)算，開挖計(jì)算順序按中導(dǎo)洞法施工工序，首先施加南側(cè)未施作的地連墻形成封閉止水，再暗挖-2層板下兩個(gè)邊洞、施作板下梁及混凝土斜撐；節(jié)點(diǎn)兩側(cè)7號線基坑對稱分層開挖到基坑底部并施作節(jié)點(diǎn)梁端4根2.0 m×1.2 m矩形樁基；然后暗挖中導(dǎo)洞，最后分層分段開挖節(jié)點(diǎn)內(nèi)中部土方，完成剩余側(cè)墻、底板結(jié)構(gòu)施工。計(jì)算模型及樁基沉降結(jié)果如圖4，圖5所示。

根據(jù)圖5中計(jì)算結(jié)果可知，暗挖中導(dǎo)洞施作中部底縱梁和部分底板，加固底板梁下的土層，提高其地基承載力，則地基將更多的分擔(dān)本應(yīng)傳遞到樁基的荷載。經(jīng)計(jì)算，-3層換 乘節(jié)點(diǎn)既有8根樁基沉降為4.6 mm，小于預(yù)警值，滿足3號線地鐵運(yùn)營要求。

3 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

換乘節(jié)點(diǎn)開挖過程中，土體性狀和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況都在不斷變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)受地質(zhì)、荷載、材料、施工工藝及環(huán)境等諸多因素影響較大，特別是對于水壓力的取值問題，理論計(jì)算值有時(shí)與實(shí)際現(xiàn)場的地下水位相差較大，造成理論預(yù)測還不能全面而準(zhǔn)確地反映工程的各種變化。所以為確保工程安全、穩(wěn)定，在施工過程中必須對地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為施工提供可靠的信息，以達(dá)到科學(xué)指導(dǎo)施工，合理修改設(shè)計(jì)或及時(shí)采取施工技術(shù)措施的目的。

1)監(jiān)測范圍主要為換乘節(jié)點(diǎn)基坑開挖寬度及基坑兩側(cè)影響范圍。

根據(jù)換乘節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況，現(xiàn)場主要監(jiān)控量測項(xiàng)目有：既有3號線車站主體梁、板、柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形監(jiān)測；地面、建(構(gòu))筑物沉降觀測點(diǎn)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、沉降及測斜孔、鋼支撐的軸力、水位觀測孔、基坑底部回彈等。

2)監(jiān)測周期。

2013年10月～2015年8月，監(jiān)測歷時(shí)23個(gè)月。具體自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

3)信息化監(jiān)測設(shè)計(jì)控制數(shù)值。

依據(jù)深圳市《城市軌道交通安全保護(hù)區(qū)施工管理辦法》2011版，當(dāng)實(shí)際變形值達(dá)到最大允許變形值的60%時(shí)，須向有關(guān)單位發(fā)出黃色預(yù)警；當(dāng)達(dá)到最大變形允許值的80%時(shí)，應(yīng)發(fā)出橙色報(bào)警；當(dāng)超過最大變形允許值時(shí)，應(yīng)發(fā)出紅色報(bào)警。

變形監(jiān)測控制指標(biāo)如表2所示。

表2 變形監(jiān)測控制指標(biāo)

4)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

截止至2015年8月31日，3號線石廈站左線最大累計(jì)沉降值為+7.3 mm；最大累計(jì)位移值為+5.6 mm，詳見表3，表4。

表3 最大沉降統(tǒng)計(jì)表

表4 最大水平位移統(tǒng)計(jì)表

由表3和表4可知，深圳地鐵3號線石廈站左線最大累計(jì)沉降值為+7.3 mm，超出預(yù)警值6.0 mm，由施工中注漿、開挖等工序可知，監(jiān)測點(diǎn)位移超出預(yù)警值主要是由于施工過程打孔、注漿引起的地表沉降位移變化。

通過第2節(jié)可知，在結(jié)構(gòu)配筋滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上，既有結(jié)構(gòu)沉降約為4.6 mm，3號線石廈站左線最大累計(jì)沉降值為+7.3 mm，最大累計(jì)位移值為+5.6 mm，從以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果較實(shí)測結(jié)果偏小，這與數(shù)值模擬未考慮開挖、結(jié)構(gòu)施作時(shí)間間隔以及現(xiàn)場其他復(fù)雜條件有關(guān)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果綜合分析可知，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較完工后實(shí)測值偏危險(xiǎn)，采用數(shù)值模擬結(jié)果對現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行校核時(shí)應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)，必須對于數(shù)值模擬結(jié)果留有一定的余量。根據(jù)深圳地鐵7號線石廈站下穿既有深圳地鐵3號線車站數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，建議數(shù)值模擬安全系數(shù)取1.2～1.5，以確保深圳地鐵7號線下穿3號線區(qū)域時(shí)隧道開挖及運(yùn)營安全。

4 結(jié)語

已運(yùn)營地鐵車站增層換乘節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先要分析工程的具體實(shí)施條件，進(jìn)而擬定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案和風(fēng)險(xiǎn)控制對策，避免工程施作過程中出現(xiàn)不必要的風(fēng)險(xiǎn)，采用中洞暗挖法和明挖內(nèi)支撐法相結(jié)合的施工方法，是一種有效解決地下三層換乘節(jié)點(diǎn)遺留工程的有效工法，不但確保了施工及運(yùn)營線路安全，還加快了工期，確保了工程質(zhì)量[9]。該技術(shù)難題的成功攻克為今后同類工程起到指導(dǎo)和借鑒作用，技術(shù)效益和社會效益顯著。

1)通過在節(jié)點(diǎn)外側(cè)設(shè)置豎井，開挖前采用超細(xì)水泥液進(jìn)行注漿封閉止水及開挖時(shí)補(bǔ)充注漿，確保了節(jié)點(diǎn)南側(cè)未封閉連續(xù)墻注漿止水的效果，控制了區(qū)間盾構(gòu)隧道與車站連接處因失水沉降而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2)先暗挖-2層頂板下兩側(cè)邊洞、施作板下梁及混凝土斜撐，再暗挖中導(dǎo)洞澆筑中部底縱梁及底板形成中部底板受力體系，通過底板與底梁將部分節(jié)點(diǎn)荷載傳給地基土，實(shí)現(xiàn)了“地基土-立柱樁-地連墻”三者共同承擔(dān)豎向荷載，同時(shí)起到了對地基土加固的作用。

3)通過設(shè)置多層臨時(shí)型鋼噴混結(jié)構(gòu)作為橫向?qū)?，控制開挖期間水平變形；節(jié)點(diǎn)部位增設(shè)400 mm厚電纜夾層板，并在此設(shè)倒角，同時(shí)將-3層底板與側(cè)墻相交處的倒角加大，從而將節(jié)點(diǎn)-3層分為上下2層，減小了換乘節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)高度，優(yōu)化了-3層結(jié)構(gòu)受力；通過對地連墻增加植筋作為胡子筋，將側(cè)墻與地連墻有效疊合，保證了側(cè)墻與原地連墻之間的連接效果。

4)對已運(yùn)營3號線石廈站提出限速運(yùn)行的要求，并對3號線運(yùn)營軌道進(jìn)行調(diào)軌措施、扣軌加固處理。同時(shí)換乘節(jié)點(diǎn)遺留工程施工過程中對已運(yùn)營3號線車站區(qū)間影響范圍進(jìn)行全自動(dòng)監(jiān)測，及時(shí)反饋信息；根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，已運(yùn)營3號線軌行區(qū)結(jié)構(gòu)沉降7.3 mm<±10 mm控制值，軌道豎向差異變形3.1 mm<±4 mm控制值，地下車站增層換乘節(jié)點(diǎn)施工過程均在安全可控的狀態(tài)下進(jìn)行。

5)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較完工后實(shí)測值偏危險(xiǎn)，采用數(shù)值模擬結(jié)果對現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行校核時(shí)應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果的對比分析，建議數(shù)值模擬安全系數(shù)取1.2～1.5。

6)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了換乘節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及施工方案是合理的，結(jié)構(gòu)變形都在設(shè)計(jì)容許范圍內(nèi)，信息化監(jiān)測為現(xiàn)場施工提供了可靠的實(shí)測數(shù)據(jù)參考，確保了已運(yùn)營3號線石廈站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全。