張振波， 王煦霖， 鄭凱， 劉志春*， 胡指南

(1. 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院， 石家莊 050043； 2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 西安 710043； 3.中鐵十四局集團(tuán)有限公司, 濟(jì)南 250000)

隨著中國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地下空間開發(fā)利用進(jìn)入快速增長階段，“十三五”規(guī)劃指出，科學(xué)和合理地推進(jìn)城市地下空間開發(fā)利用，大力提高城市空間資源利用效率，更好發(fā)揮地下資源潛力，初步建立較為完善的城市地下空間規(guī)劃建設(shè)管理體系。地鐵作為地下空間開發(fā)利用緩解城市交通擁堵的重要交通措施，已由最初的獨立單線連接成網(wǎng)狀?，F(xiàn)階段，大多數(shù)城市新建地鐵均會出現(xiàn)下穿既有結(jié)構(gòu)的情況。一旦稍有疏忽，便會影響到既有結(jié)構(gòu)的正常使用。

關(guān)于下穿工程既有地鐵結(jié)構(gòu)變形一般規(guī)律性研究較少，僅有王劍晨等[1]結(jié)合北京地區(qū)10個近接下穿工程23組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)既有結(jié)構(gòu)沉降絕大多數(shù)符合Peck公式分布規(guī)律，并對Peck公式進(jìn)行修正。陶連金等[2]針對新建結(jié)構(gòu)下穿結(jié)構(gòu)工程，圍繞主要施工工法、工序、既有結(jié)構(gòu)變形控制措施、既有結(jié)構(gòu)變形特性、沉降變形機理等內(nèi)容進(jìn)行了文獻(xiàn)匯總，提出了有待加強和深入研究的方向。白海衛(wèi)等[3]總結(jié)北京地區(qū)13個下穿案例中若干組變形數(shù)據(jù)，歸納出新建隧道常見的結(jié)構(gòu)形式及施工措施，分析既有地下結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，采用兩階段法研究了各因素影響下既有地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律。

學(xué)者們主要依托實際工程對下穿地鐵隧道[4-8]、地鐵車站[9-10]、地下管線[11]等既有結(jié)構(gòu)，研究下穿工程施工過程中其變形規(guī)律與施工控制措施。阿卜杜拉等[12]采用模型試驗的方法探究了盾構(gòu)下穿既有隧道的變形規(guī)律。

有關(guān)下穿地鐵車站工程的研究相對有限，李興高等[13]依托北京地鐵機場線下穿地鐵13號線東直門站工程，詳細(xì)介紹了柱洞法下穿既有車站的一種主動防御的控制方法—可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)液壓千斤頂分級分區(qū)控制技術(shù)。賈龍飛[14]依托北京地鐵16號線蘇州街車站下穿10號線蘇州街車站工程，采用數(shù)值分析方法研究了既有結(jié)構(gòu)沉降變形、結(jié)構(gòu)承載能力，優(yōu)化了開挖順序與開挖進(jìn)尺。陶連金等[15]結(jié)合北京地鐵10號線公主墳站密貼下穿既有地鐵1號線公主墳站工程，研究了交叉中隔壁(center cross diagram，CRD)+千斤頂支撐對于既有車站變形控制措施，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，新建車站密貼下穿既有線車站結(jié)構(gòu)變形特征，分析了沉降原因，提出了工程處理措施，包括深孔注漿、超前小導(dǎo)管注漿、增加臨時立柱和千斤頂、采用超細(xì)水泥漿進(jìn)行初期支護(hù)背后回填注漿、多臺千斤頂同時加力頂升等措施實施效果。

很多學(xué)者針對下穿工程既有結(jié)構(gòu)變形控制措施開展了研究，更多的研究聚焦下穿既有隧道工程，也有學(xué)者研究隧道下穿既有車站變形規(guī)律。針對新建兩層三跨地鐵車站下穿既有地鐵車站情況，新建地鐵車站施工工法對既有車站結(jié)構(gòu)運營產(chǎn)生影響，但關(guān)于8導(dǎo)洞柱洞法(plie-beam-arc，PBA)工法新建地鐵車站對既有地鐵車站變形的影響研究較少。

基于此，現(xiàn)依托北京地鐵6號線南延蘋果園站工程，研究既有車站變形控制技術(shù)，探究注漿抬升、絲杠支頂、高壓回填注漿3項綜合工程措施的既有車站變形控制效果，優(yōu)化絲杠設(shè)計參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實施效果與監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證以上工程措施的可行性。以期為兩層三跨地鐵車站密貼下穿既有結(jié)構(gòu)變形控制提供新措施。

1 工程概況

新建北京地鐵6號線蘋果園站全長324.4 m，站臺寬度14 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為23.0 m，最大斷面寬度23.5 m。主體結(jié)構(gòu)采用暗挖PBA工法+明挖法施工。新建北京地鐵6號線蘋果園站與既有北京地鐵1號線蘋果園站關(guān)系如圖1所示。

其中，下穿段車站主體結(jié)構(gòu)為兩層三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，斜向70°角密貼下穿既有M1蘋果園站主體結(jié)構(gòu)。車站頂板覆土約11 m，底板埋深約27 m。

1.1 工程水文地質(zhì)

勘察資料表明，下穿段的土層主要由人工堆積層、新近沉積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層、三疊紀(jì)基巖四大層。施工時遇到的土質(zhì)情況如圖2所示。

本車站結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)車站范圍內(nèi)存在一層地下水，主要為潛水，水位埋深39.76 m，水位標(biāo)高為31.58 m。地下水位在車站底板以下10.4 m左右。

1.2 施工工法簡介

采用PBA 八導(dǎo)洞工法施工，導(dǎo)洞與既有結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖3所示。

圖1 新建地鐵車站與既有車站平面位置關(guān)系Fig.1 Plane position relationship between new subway station and existing station

圖2 土質(zhì)情況Fig.2 Soil condition in construction

圖3 土質(zhì)情況導(dǎo)洞與既有車站位置關(guān)系剖面Fig.3 Section of location relationship between pilot tunnels and existing station

新建地鐵車站施工工序如下，第1步：導(dǎo)洞4A與4D同時施工；第2步：待導(dǎo)洞4A與4D施工6 m后，導(dǎo)洞41與44同時開始施工；第3步：待導(dǎo)洞41與44施工10 m后，導(dǎo)洞4B開始施工；第4步：待導(dǎo)洞4B施工10 m后，導(dǎo)洞42開始施工；待導(dǎo)洞4B通過既有地鐵車站后，導(dǎo)洞4C開始施工；第5步：待42導(dǎo)洞通過既有地鐵車站后，導(dǎo)洞4C開始施工，直至所有導(dǎo)洞貫通。第6步：施作條基、頂縱梁、邊樁與立柱；第7步，將上導(dǎo)洞41與42，43與44間土體開挖；第8步，待導(dǎo)洞41與42，43與44間土體開挖20 m后，開挖42與43間土體；第9步：扣拱，上部導(dǎo)洞通過澆筑混凝土形成結(jié)構(gòu)；第10步：向下開挖，施作中板；第11步：向下開挖，施工底板，形成兩層三跨結(jié)構(gòu)。

1.3 工程重難點

既有車站結(jié)構(gòu)下方大體量土體開挖造成的既有結(jié)構(gòu)變形能否滿足既有結(jié)構(gòu)正常使用值得商榷。結(jié)合本工程具體施工方案，給出工程重難點。

(1)導(dǎo)洞開挖。導(dǎo)洞施工過程中，開挖效應(yīng)必然引起既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降。導(dǎo)洞開挖過程中，無法施工立柱、條基、頂縱梁等結(jié)構(gòu)，即無法利用以上結(jié)構(gòu)控制既有結(jié)構(gòu)的變形。因此，在具備立柱、條基、頂縱梁等結(jié)構(gòu)施工條件前，需采取工程措施，使得導(dǎo)洞開挖引起的既有結(jié)構(gòu)變形滿足既有結(jié)構(gòu)正常使用的要求。

(2)相鄰導(dǎo)洞間的土體開挖。扣拱前需要將上層導(dǎo)洞相互之間的土體挖除。在土體挖除后，扣拱澆筑混凝土前的這個階段，既有結(jié)構(gòu)部分部位處于懸空狀態(tài)，此時的變形值會較大，可能會不滿足既有結(jié)構(gòu)正常使用的變形要求，甚至破壞結(jié)構(gòu)。

(3)扣拱澆筑混凝土硬化階段?？酃昂鬂仓炷粒捎诨炷恋氖湛s性能，必然會使得新建結(jié)構(gòu)頂板與既有結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生間隙，進(jìn)而再使得既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生由于扣拱時混凝土收縮產(chǎn)生的變形。對于變形要求的嚴(yán)格的既有地鐵車站結(jié)構(gòu)，需采取相應(yīng)工程措施控制該部分變形。

2 既有結(jié)構(gòu)變形控制關(guān)鍵技術(shù)

針對1.3節(jié)中提到的3個工程難點，相應(yīng)的既有結(jié)構(gòu)變形控制技術(shù)(深孔注漿、抬升注漿、絲杠支頂、高壓回填注漿)如下。

2.1 深孔注漿

結(jié)合水文地質(zhì)情況(水位較低、以砂卵石地層為主)，注漿效果很好。在導(dǎo)洞開挖時，采用深孔注漿技術(shù)，控制既有結(jié)構(gòu)變形。深孔注漿示意圖如圖4所示，注漿參數(shù)如下：①在上臺階核心土范圍外的掌子面設(shè)置止?jié){墻，厚度為300 mm，采用C20噴射混凝土，并設(shè)雙層A6@150×150鋼筋網(wǎng)，第一道止?jié){墻需采用型鋼支撐保證穩(wěn)定；②注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa；③漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，擴(kuò)散半徑0.5 m。

2.2 抬升注漿

僅僅采用深孔注漿，導(dǎo)洞開挖過程中很難滿足既有結(jié)構(gòu)變形要求。通過導(dǎo)洞間抬升注漿，抬升既有結(jié)構(gòu)。并且抬升注漿后，為后續(xù)施工工序引起既有結(jié)構(gòu)變形留有余量，滿足既有結(jié)構(gòu)的變形要求。抬升注漿主要包括布置注漿孔、制作止?jié){墻、抬升注漿。具體如下。

在邊導(dǎo)洞初支兩側(cè)壁上布置注漿孔，單側(cè)側(cè)壁需布置三排孔位，水平徑向注漿。注漿孔左右間距為0.5 m，上下間距為0.8 m，最下排注漿孔距小導(dǎo)洞底板初支1 m。注漿孔位布置如圖5所示。

圖4 深孔注漿示意Fig.4 Deep borehole grouting schematic

圖5 升注漿孔位布置縱剖面Fig.5 Longitudinal section of grouting hole position

為了保證抬升注漿時漿液不會四處放散，更好地達(dá)到抬升效果，需在抬升的范圍內(nèi)形成止?jié){墻(1 m厚)，將所需抬升的空間形成一個封閉的空間。止?jié){墻如圖6所示。

2.3 絲杠支頂

采用千斤頂控制既有結(jié)構(gòu)變形是現(xiàn)階段常用的工程措施。但是在扣拱前，千斤頂會撤出，由于導(dǎo)洞間土體的開挖以及千斤頂?shù)某烦?，?dǎo)致既有結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域懸空，引起較大的變形。同時，扣拱時澆筑的混凝土在硬化過程會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，新建結(jié)構(gòu)頂部與既有結(jié)構(gòu)底部會產(chǎn)生間隙，引起既有結(jié)構(gòu)沉降。

通過設(shè)置絲杠支頂，絲杠不拆除，隨混凝土一起澆筑，即使混凝土出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，絲杠仍然可以起到支撐既有結(jié)構(gòu)的作用。

圖6 止?jié){墻橫剖面Fig.6 Cross section of preventing-grout wall

具體施工工藝如下。

(1)待邊樁鋼筋籠綁扎及鋼管柱安裝完成后，安裝絲桿底部預(yù)埋件，澆筑混凝土。預(yù)埋件采用200 mm×200 mm×10 mm，鋼板底部焊接9根480 mm長C16鋼筋作為錨筋，鋼筋間距60 mm，距鋼板周邊邊緣40 mm，間距1.6 m。

(2)中導(dǎo)洞設(shè)置絲杠時，中柱每柱預(yù)埋，在柱間設(shè)置400 mm×400 mm×1 000 mm(長×寬×高)支墩，并按邊柱同樣的方法預(yù)埋，間距2 m。

(3)鋼板上方設(shè)置絲杠，絲杠上方焊接鋼板，鋼板上焊接工字鋼縱梁，通過絲杠調(diào)節(jié)頂緊既有結(jié)構(gòu)。

2.4 高壓回填注漿

雖然采取了絲杠支頂技術(shù)，畢竟新建結(jié)構(gòu)頂部與既有結(jié)構(gòu)底板由于混凝土收縮會產(chǎn)生間隙，因此在澆筑頂板的時候預(yù)留注漿管，待混凝土硬化后，通過預(yù)留的注漿管，采用高壓回填注漿，填充間隙，控制既有結(jié)構(gòu)的變形。注漿導(dǎo)管采用φ32，t=2.75 mm焊接鋼管，注漿導(dǎo)管布設(shè)縱向間距為3.0 m每道。采用水泥漿或水泥砂漿液，注漿壓力一般為0.1～0.3 MPa。

3 既有結(jié)構(gòu)變形分析

上文給出了既有結(jié)構(gòu)變形關(guān)鍵控制技術(shù)，并初擬了參數(shù)。本節(jié)采用數(shù)值模擬方法，分析以上控制技術(shù)對于既有結(jié)構(gòu)變形的影響。

3.1 既有結(jié)構(gòu)變形預(yù)測

3.1.1 模型建立

該模型包括土體、既有車站結(jié)構(gòu)、變形縫與導(dǎo)洞襯砌結(jié)構(gòu)。新建車站與既有車站70°斜交，為消除邊界效應(yīng)，既有結(jié)構(gòu)長度為220 m。圖3中的41～44導(dǎo)洞襯砌厚度為350 mm，4A～4D導(dǎo)洞襯砌厚度為300 mm。

土體參數(shù)如表1所示。既有結(jié)構(gòu)為C30混凝土，容重為25 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2。襯砌結(jié)構(gòu)為C20混凝土，容重為25 kN/m3，彈性模量為15 GPa，泊松比為0.2。

表1 土層參數(shù)Table 1 Soils parameters

建立的有限元模型如圖7所示，按照實際施工步驟，考慮導(dǎo)洞開挖時深孔注漿，導(dǎo)洞貫通后的絲杠支頂、抬升注漿、扣拱后的高壓回填注漿、施作中板以及底板、最終形成地下兩層三跨地鐵車站過程，得到既有結(jié)構(gòu)變形情況。

3.1.2 計算結(jié)果

提取了導(dǎo)洞貫通、絲杠支頂、抬升注漿、扣拱、高壓回填注漿、施作中板、施作底板關(guān)鍵步驟的既有結(jié)構(gòu)變形，如圖8所示。

由圖8可知，導(dǎo)洞施工時采用深孔注漿，待導(dǎo)洞施工完成后既有車站結(jié)構(gòu)最大值為8.79 mm，絲杠支頂對既有車站變形有些許控制作用，但作用有限。隨后注漿抬升將既有車站結(jié)構(gòu)抬升，部分位置出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象。后續(xù)車站主體施工，扣拱施工導(dǎo)致既有車站繼續(xù)出現(xiàn)向下位移，雖然在3 mm變形要求內(nèi)，但考慮混凝土硬化過程收縮會產(chǎn)生間隙，并且后續(xù)還有主體結(jié)構(gòu)中板施工。通過高壓回填收縮注漿對既有車站結(jié)構(gòu)存在一個抬升作用，后續(xù)主體施工完成后，既有車站結(jié)構(gòu)最大位移為1.909 mm。由此可見，深孔注漿、抬升注漿與高壓回填注漿可使既有結(jié)構(gòu)沉降滿足地鐵運營3 mm變形要求。

圖7 數(shù)值模型Fig.7 Numerical model

圖8 既有結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果Fig.8 Existing structural displacement calculation results

3.2 絲杠參數(shù)

新建結(jié)構(gòu)在上層導(dǎo)洞澆筑頂縱梁與頂板混凝土?xí)r，大體量的混凝土在硬化過程會出現(xiàn)收縮，既有結(jié)構(gòu)底部與新建結(jié)構(gòu)頂板會出現(xiàn)縫隙。在澆筑前，提前施工絲杠支頂住既有結(jié)構(gòu)。當(dāng)澆筑的混凝土出現(xiàn)收縮變形時，絲杠可以起到支撐既有結(jié)構(gòu)的作用。

3.2.1 模型建立

絲杠分析采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，即模型不在考慮土體與既有結(jié)構(gòu)相互作用，將土體簡化為荷載加在既有結(jié)構(gòu)上方。既有車站結(jié)構(gòu)模型建立同3.1節(jié)，根據(jù)表1地層參數(shù)，計算得到土層作用在既有結(jié)構(gòu)上方的豎向荷載，建立三維數(shù)值分析模型，如圖9所示。絲杠通過工字型鋼梁連接為一整體，型鋼梁為32a，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。絲杠彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。絲杠與型鋼梁材料為Q235鋼材，取屈服應(yīng)力為235 MPa。

圖9 絲杠支頂數(shù)值模型Fig.9 Guide screw bracing numerical model

3.2.2 計算結(jié)果

分別計算絲杠直徑為40、50、60 mm的3種情況下既有結(jié)構(gòu)沉降，計算結(jié)果顯示，絲杠上方的型鋼梁最大應(yīng)力僅為121 MPa，最大豎向位移為0.4 mm。計算得到絲杠的最大應(yīng)力如表2所示。

通過以上計算結(jié)果可知，既有結(jié)構(gòu)最大豎向位移相差不大，為0.4 mm；絲杠應(yīng)力比過高會造成安全隱患；應(yīng)力比過低會造成材料的浪費，常用絲杠的直徑以及計算結(jié)果，綜合考慮絲杠直徑宜選擇50 mm。

表2 絲杠最大應(yīng)力Table 2 Maximum stress of screw

4 實施效果

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，既有車站結(jié)構(gòu)最大沉降通過深孔注漿、絲杠支頂、注漿抬升與高壓回填注漿工程措施得到控制，既有車站結(jié)構(gòu)的最終沉降為1.9 mm，提取監(jiān)測點SCJ-09-02現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，如圖10所示。

由圖10可知，隨著導(dǎo)洞開挖，既有結(jié)構(gòu)先出現(xiàn)沉降，隨后隨著抬升注漿，既有結(jié)構(gòu)沉降值減少，待注漿完畢，將導(dǎo)洞開挖，既有結(jié)構(gòu)繼續(xù)沉降。但整個階段，既有結(jié)構(gòu)變形均小于3 mm控制標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，深孔注漿、抬升注漿、絲杠支頂與高壓回填注漿4項可以有效地控制既有結(jié)構(gòu)變形。

圖10 監(jiān)測點SCJ-09-02現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果Fig.10 Site monitoring results of monitoring point scj-09-02

5 結(jié)論

依托北京地鐵6號線西延工程蘋果園站密貼下穿1號線蘋果園站工程，研究兩層三跨地鐵車站密貼下穿既有結(jié)構(gòu)變形控制技術(shù)，給出分階段的既有結(jié)構(gòu)變形控制施工技術(shù)，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測了既有結(jié)構(gòu)沉降，確定了絲杠參數(shù)。得到以下結(jié)論。

(1) 針對兩層三跨結(jié)構(gòu)大體量開挖零距離下穿工程，提出了深孔注漿、抬升注漿、絲杠支頂與高壓回填注漿4項既有結(jié)構(gòu)變形控制關(guān)鍵技術(shù)，給出了具體施工方案。

(2) 通過以上既有結(jié)構(gòu)變形控制技術(shù)，預(yù)測既有結(jié)構(gòu)最終沉降為1.909 mm，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明最終沉降穩(wěn)定在1.9 mm，以上結(jié)果表明既有結(jié)構(gòu)變形滿足正常運營要求。

(3) 絲杠直徑對于既有結(jié)構(gòu)沉降影響不大，從材料的應(yīng)力比考慮，選擇直徑為50 mm的絲杠(應(yīng)力比為0.70)比較合理。