陸海鋒

(中鐵上海工程局集團有限公司,上海 201906)

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展,城市興建地鐵不可避免地鄰近各類民建、市政、鐵路結(jié)構(gòu),其中市政橋梁鄰近地鐵在工程建設(shè)中非常普遍[1-2]。地鐵隧道常用的施工方法有明挖法、盾構(gòu)法和礦山法等,其中礦山法工序轉(zhuǎn)換多,施工風(fēng)險高,對鄰近的建(構(gòu))筑物的影響大,尤其是暗挖隧道鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)尤其是地鐵高架結(jié)構(gòu)時,既有地鐵變形控制要求高,因此需要對暗挖施工采取嚴格的控制措施,保護既有地鐵安全。新建地鐵隧道鄰近既有地鐵高架區(qū)間的研究主要有:李志佳等[3]對暗挖大斷面隧道穿越既有地鐵高架區(qū)間的風(fēng)險控制進行了研究,推薦選取加固既有結(jié)構(gòu)、深孔注漿止水等措施來確保既有結(jié)構(gòu)安全;杜佳鵬等[4]對地鐵站后折返線暗挖大斷面隧道下穿既有地鐵高架橋影響進行了分析,認為超前加固和洞內(nèi)支撐相結(jié)合的措施對于保證既有高架結(jié)構(gòu)安全有利;唐汐[5]對比分析了不加固、僅洞外加固、洞外加固+橋樁底部加固3種工況下地鐵高架區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移、差異沉降變化特征,并比較了實測和計算結(jié)果,研究認為穿越施工顯著影響范圍約為4倍暗挖地鐵隧道跨度、后施工隧道兩側(cè)承臺差異沉降大于先施工隧道兩側(cè)承臺差異沉降。此外,喬國剛[6]、郄向光[7]等對大斷面暗挖隧道近距離穿越運營地鐵高架橋樁基施工技術(shù)進行了研究,認為在注漿加固和合理工序轉(zhuǎn)化的前提下既有高架橋結(jié)構(gòu)安全可以得到保證。

綜上所述,目前對暗挖地鐵隧道下穿既有地鐵高架區(qū)間的研究較少,因此,本次開展暗挖地鐵車站及區(qū)間鄰近地鐵高架區(qū)間相關(guān)工作,對于豐富此類問題的研究具有重要意義[8]。

1 工程概況

1.1 大鐘寺站及大薊區(qū)間概況

北京地鐵12號線大鐘寺站為地下雙層島式車站,車站總長282 m,標準段寬度23.7 m,車站頂板覆土15 m～18 m。車站采用暗挖PBA工法,施工風(fēng)道、出入口通道及換乘通道采用CRD和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。車站設(shè)置3個出入口、3個安全出入口、4組風(fēng)亭、3個無障礙電梯、1個換乘通道和1個新建換乘廳。車站為雙柱三跨拱形斷面,采用PBA工法施工,具體斷面布置如圖1所示。

大鐘寺站—薊門橋站區(qū)間左線、右線長度均為835.10 m(其中左線含長鏈0.549 m、短鏈0.684 m),線間距15 m～17.2 m。區(qū)間線路縱斷出大鐘寺站后以2‰的縱坡向下然后3‰向上,最后以5.645‰縱坡向下進入薊門橋站,區(qū)間埋深25.4 m～32.6 m。區(qū)間為單線單洞斷面形式,標準段采用臺階法施工,人防段采用CRD法施工。具體斷面布置如圖2所示。區(qū)間施工采用臺階法,臺階法將隧道分為兩部分開挖,開挖順序為:在超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固地層施工完畢后,先開挖上臺階,開挖進尺為一榀格柵間距,及時進行初期支護,上臺階進尺5 m后,然后進行下臺階的初期支護開挖。上下臺階錯開長度保持在3 m～5 m。

1.2 既有地鐵13號線高架區(qū)間概況

北京地鐵13號線高架橋為一次性澆筑的7跨連續(xù)混凝土板梁,南端與大鐘寺車站相接,北端與區(qū)間路基相接。橋體由基礎(chǔ)樁及承臺、橋臺、橋墩、梁板及橋面組成,橋?qū)?0.6 m,橋墩為倒梯型板式墩,最大跨度2號—3號墩(18.130 m),最小跨度6號—7號墩(10.030 m)。承臺高度為2.0 m,墩臺基樁樁長26 m～29.5 m,采用旋挖鉆孔灌注樁,1號墩臺基樁樁徑1.5 m,其余墩臺基樁樁徑1.0 m。12號線大薊區(qū)間右線在2號、3號墩間下穿,左線在3號、4號墩間下穿。

1.3 12號線與13號線位置關(guān)系

大鐘寺車站大里程端頭臨近地鐵13號線,與地鐵13號線區(qū)間高架橋的最小凈距為17.2 m。大薊區(qū)間左右線橫穿既有13號線高架下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),處于2號、3號、4號樁基中間,區(qū)間左線線路中心距2號樁基距離為6 570 mm,距3號樁基中心距離為8 483 mm,區(qū)間右線線路中心距3號樁基距離為5 697 mm,距4號樁基中心距離為5 952 mm,見圖3。

2 工程風(fēng)險分析

北京地鐵12號線大鐘寺站臨近地鐵13號線、大鐘寺站—薊門橋站區(qū)間線路下穿既有地鐵13號線。施工會影響既有地鐵13號線的下部結(jié)構(gòu);施工過程中如果不注意控制,會導(dǎo)致既有線路的下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降,對橋梁結(jié)構(gòu)可能造成的損傷有以下幾個方面:

1)橋梁上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)現(xiàn)澆梁,基礎(chǔ)縱向不均勻沉降會破壞橋面板及橋梁伸縮裝置,影響橋梁的使用功能,引發(fā)行車不平順、橋頭跳車等現(xiàn)象;同時還會改變橋面縱坡,對行車舒適度及橋面排水造成不利影響?；A(chǔ)橫向不均勻變形過大則會對橋梁橫向聯(lián)系產(chǎn)生危害,影響主梁間的共同受力。

2)基礎(chǔ)不均勻沉降會使主梁梁體出現(xiàn)偏移或擾度過大等情況,使主梁的內(nèi)力和變形都發(fā)生改變,并加速梁體混凝土裂縫產(chǎn)生的速度,直接影響到橋梁主體的安全穩(wěn)定性,情況嚴重的還會導(dǎo)致橋梁整體垮塌。

3)基礎(chǔ)不均勻沉降會使上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)連接支座處的梁底產(chǎn)生過大的拉力或壓力,使梁底支座和主梁都發(fā)生破壞。

4)橋臺傾斜變位,支座脫空,梁體變位會引起橋面鋪裝變形,伸縮縫錯起,欄桿位移,對行車帶來影響。

5)對橋下道路影響。路面沉降過大將影響橋下行車的舒適性及路面排水效果。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

車站上層導(dǎo)洞、下層導(dǎo)洞、初支扣拱、活塞風(fēng)井、活塞風(fēng)道、區(qū)間等施工對13號線高架區(qū)間存在影響,各項施工除針對性保護措施外,一般的保護措施包括對既有線高架橋進行現(xiàn)狀調(diào)查、檢測、評估,確定合理的變形控制指標;加強暗挖關(guān)鍵工序控制,嚴格控制地層沉降;施工過程中加強監(jiān)測,做到信息化施工;加強初支背后注漿和二襯背后注漿,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行多次補注漿,嚴格控制注漿壓力和注漿量,保證注漿效果。

3.1 導(dǎo)洞施工

車站上層小導(dǎo)洞和端部橫向?qū)Ф淳捎门_階法施工,上層小導(dǎo)洞開挖尺寸為4.5 m×5 m,端部橫向?qū)Ф撮_挖尺寸為3.7 m×3 m,初支厚度均為0.25 m。車站下層小導(dǎo)洞和端部橫向?qū)Ф淳捎门_階法施工,下層小導(dǎo)洞開挖尺寸分別為4.5 m×5 m和4.5 m×5.25 m,端部橫向?qū)Ф撮_挖尺寸為3.7 m×1.85 m,初支厚度均為0.25 m。

上層、下層小導(dǎo)洞端墻封堵與既有線高架橋樁凈距為17.682 m～22.7 m。橫向?qū)Ф磁c既有線高架橋樁凈距為17.682 m～20.581 m。車站小導(dǎo)洞采取加固措施,加固布置如圖4所示。采用深孔注漿超前加固上層小導(dǎo)洞拱頂及拱頂掌子面以及導(dǎo)洞封端、橫向?qū)Ф垂绊攤?cè)壁;采用深孔注漿超前加固下層小導(dǎo)洞拱頂,導(dǎo)洞封端,橫向?qū)Ф垂绊敗？v向加固范圍10 m,注漿范圍小導(dǎo)洞外1.5 m、內(nèi)0.5 m。

超前支護采用DN32×2.75,L=2 m小導(dǎo)管(隔榀設(shè)置)對小導(dǎo)洞拱部地層超前注漿預(yù)加固(下層導(dǎo)洞卵石層采用DN25×2.75,L=2 m,每榀打設(shè)),小導(dǎo)管環(huán)向間距300 mm,縱向每榀格柵打設(shè),外插角度10°～15°設(shè)置。深孔注漿處取消超前小導(dǎo)管支護。小導(dǎo)洞施工順序如圖5所示,圖5中1代表超前小導(dǎo)管加固并預(yù)注漿;2代表拱部環(huán)形開挖預(yù)留核心土;3代表初期支護:初噴5 cm混凝土,架設(shè)格柵鋼架,拱腳處打設(shè)2根鎖腳錨桿,掛網(wǎng),噴混凝土;4代表核心土開挖;5代表下部土體開挖;6代表初期支護:接邊墻、仰拱格柵鋼架并掛網(wǎng)、噴混凝土封閉成環(huán)。

3.2 初支扣拱施工

車站邊樁與橋樁最小凈距18.5 m(與端墻19.55 m),初支扣拱前采取加固措施,加固布置如圖6所示。具體措施包括:1)采用深孔注漿超前加固上層大拱拱頂及封端墻;扣拱的深孔注漿縱向加固范圍10 m。注漿范圍大拱初支外2 m,內(nèi)0.5 m。2)端墻圍護樁加密1.35 m,控制結(jié)構(gòu)變形。

大鐘寺站主體為兩層三跨三聯(lián)拱結(jié)構(gòu),扣拱分中跨扣拱和邊跨扣拱,采用臺階法開挖保留核心土(見圖7),超前支護采取深孔注漿加固或DN32×2.75 mm超前小導(dǎo)管加固地層,再進行初支扣拱馬頭門開挖,在馬頭門連立三榀初支扣拱格柵鋼架,被截斷橫通道格柵鋼架與初支扣拱格柵鋼架應(yīng)進行有效焊接。邊導(dǎo)扣拱跨度3.3 m,中跨扣拱跨度為2.5 m。先中跨施工,再兩側(cè)邊跨同步施工,相鄰導(dǎo)洞內(nèi)初支扣拱施工距離錯開不小于15 m。

3.3 活塞風(fēng)井、風(fēng)道施工

2號活塞風(fēng)井尺寸為10.3 m×5.8 m×30.14 m,開挖深度約38 m～39 m,采用倒掛井壁法施工,支護采用鋼筋網(wǎng)+注漿錨管+格柵鋼架(間距400 mm～750 mm)+噴射混凝土。2號活塞風(fēng)道開挖尺寸8.7 m×9.8 m,采用CRD工法施工,開挖順序如圖8(a)所示,1號洞室超前2號洞室5 m,2號洞室超前3號洞室10 m,3號洞室超前4號洞室5 m,4號洞室超前5號洞室10 m,5號洞室超前6號洞室5 m。2號活塞風(fēng)井、風(fēng)道施工時打設(shè)小導(dǎo)管注漿加固。此外,2號活塞風(fēng)道采用深孔注漿超前加固風(fēng)道拱頂、側(cè)壁及拱頂掌子面(見圖8(b)),加固范圍為初支外2 m內(nèi)0.5 m。

3.4 區(qū)間隧道施工

暗挖區(qū)間下穿13號線的保護措施如圖9所示。1)對隧道輪廓線外2 m內(nèi)0.5 m以及掌子面全斷面范圍內(nèi)進行洞內(nèi)深孔注漿,注漿范圍為橋樁前后各10 m,共22 m。注漿加固土體時應(yīng)結(jié)合監(jiān)測反饋,及時調(diào)整注漿壓力。2)采用臺階法+臨時仰拱施工,減少開挖面高度,嚴格控制地層沉降,臨時仰拱里程同深孔注漿里程。3)區(qū)間施工至距離大鐘寺站端頭5 m時,應(yīng)停止施工,并及時封閉掌子面,掌子面封閉同永久封底或封堵。待大鐘寺站初支扣拱完成后,貫通隧道左右線。4)施工中采取降水措施,保證無水施工。

區(qū)間隧道下穿13號線時超前支護措施采用DN25×2.75,L=2 m小導(dǎo)管(每榀設(shè)置)對小導(dǎo)洞拱部地層超前注漿預(yù)加固,小導(dǎo)管環(huán)向間距300 mm,縱向每榀格柵打設(shè),外插角度10°～15°設(shè)置。如圖10所示,超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固地層施工完畢后,先開挖上臺階,開挖進尺為一榀格柵間距,及時進行初期支護+臨時仰拱,上臺階開挖至10 m～15 m后進行下臺階的初期支護開挖。上下臺階錯開長度保持在10 m～15 m,開挖后及時進行封閉。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

為保證13號線高架區(qū)間安全,在大鐘寺站鄰近和大薊區(qū)間下穿施工時,對暗挖隧道拱頂沉降和凈空收斂以及13號線高架結(jié)構(gòu)道床沉降、軌道沉降、軌道幾何行位軌距、軌道幾何行位水平、軌道水平位移、靜力水準、橋樁沉降進行監(jiān)測,現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖11,圖12所示,各類監(jiān)測結(jié)果最大值列于表1中。

表1 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

地鐵隧道的位移控制值均為10 mm,13號線高架區(qū)間和豎向位移和水平位移控制值分別為3 mm和2 mm,從位移監(jiān)測結(jié)果來看,各項位移指標均小于控制值,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)語

依托北京地鐵12號線大鐘寺站及大鐘寺站—薊門橋站區(qū)間隧道下穿13號線高架區(qū)間,闡述車站鄰近和區(qū)間下穿施工時13號線高架區(qū)間綜合保護措施,對復(fù)雜環(huán)境條件下導(dǎo)洞施工、初支扣拱、深孔注漿、超前支護等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進行分析,明確其設(shè)計施工中的技術(shù)要點,并對施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,得出結(jié)論如下:

1)暗挖車站及區(qū)間施工影響較大,因此需要采取綜合控制措施,同時加強暗挖施工自身控制和監(jiān)測,確保既有高架結(jié)構(gòu)及地鐵運營安全。

2)從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果來看,暗挖地鐵隧道下穿施工是既有地鐵高架結(jié)構(gòu)施工控制的關(guān)鍵階段,同時要注意先施工、后施工隧道的影響差異引起的高架結(jié)構(gòu)不均勻沉降。

新建暗挖車站及區(qū)間隧道鄰近既有地鐵高架結(jié)構(gòu)工程案例較少,經(jīng)驗不足,目前研究僅依靠零星工程案例,并未形成系統(tǒng)性的研究手段。建議今后應(yīng)考慮地質(zhì)條件、位置關(guān)系、施工步序等因素優(yōu)化穿越保護方案及措施,達到降低造價、控制安全的目的。