楊建禮， 楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，城市地鐵建設(shè)數(shù)量日益增多，地鐵路網(wǎng)中必然會有很多線路相互交叉(包括區(qū)間與區(qū)間的交叉，車站與區(qū)間的交叉，車站與車站的交叉等)情況的發(fā)生。對于交叉工程，不僅要保證新建項目的本體安全，而且還要確保施工期運營線路的正常運營以及周邊環(huán)境的安全，工程的設(shè)計和施工均相對困難。在交叉段施工過程中，如何確保既有線路運營和結(jié)構(gòu)安全已成為一個緊迫的技術(shù)問題[1-3]。在國內(nèi)，換乘節(jié)點的預(yù)留多采用兩種方式，即預(yù)留條件方式和預(yù)留結(jié)構(gòu)方式[4-5]。對某一特定城市而言，在地鐵建設(shè)初期階段，由于線路規(guī)劃(尤其層位規(guī)劃)不到位，往往以第一種預(yù)留方式居多。該預(yù)留方式，在新增層土體穩(wěn)定性差及含水量較大情況下，后期施工對既有線的運營安全將產(chǎn)生較大影響，往往成為后期施工的重點和難點。

對于預(yù)留條件方式的交叉工程，國內(nèi)大多通過采取一些輔助工法來實現(xiàn)對既有車站沉降控制的目的。曹德更[6]、宋建[7]等提出采用局部全斷面預(yù)注漿與洞樁法相結(jié)合的手段，可有效控制既有結(jié)構(gòu)的變形、確保地下管線的安全。黃合理[8]、閆朝霞[9]等認(rèn)為采用淺埋暗挖法過既有線施工時，加強初期支護、注漿加固開挖土體是確保施工安全的關(guān)鍵。張明聚[10]等通過對交叉工程結(jié)構(gòu)動態(tài)監(jiān)測來掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的變化，并對隧道變形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響開展了相關(guān)研究。王彥臻[11]等提出在洞內(nèi)做樁并輔以千斤頂托換技術(shù)的施工方法，同時通過多次注漿以保證控制效果。張成平[12]等采用灌漿加固對道床與隧道結(jié)構(gòu)間的脫離區(qū)域進行了治理，并通過注漿對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)進行了抬升，使既有地鐵線路的高程損失得到了一定恢復(fù)，最終實現(xiàn)對既有地鐵結(jié)構(gòu)沉降的控制。上述案例中所采取的控制技術(shù)實際上均為體外措施，而對于交叉車站換乘節(jié)點處新、舊結(jié)構(gòu)如何實現(xiàn)連接的問題，并未涉及。目前，常規(guī)的做法是在新、舊結(jié)構(gòu)連接處預(yù)留后澆帶，以適應(yīng)施工中所發(fā)生的不均勻沉降，確保新、舊結(jié)構(gòu)體系的安全。但由于新、舊結(jié)構(gòu)相對獨立，并未形成有效的、相互制約的整體結(jié)構(gòu)體系，受新建結(jié)構(gòu)下穿暗挖施工效應(yīng)影響，既有結(jié)構(gòu)變形控制難度相對較大，容易發(fā)生變形超限風(fēng)險。因此，對于預(yù)留條件下交叉車站工程換乘節(jié)點處新舊結(jié)構(gòu)連接問題仍有待進一步研究。

本文以鄭州軌道交通4號線某車站與1號線換乘節(jié)點施工為例，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗手段，研究提出了既有地鐵車站換乘節(jié)點暗挖段托舉施工工法及關(guān)鍵施工技術(shù)，并通過既有車站結(jié)構(gòu)變形和新舊結(jié)構(gòu)連接段混凝土的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，對工法的可靠性進行了驗證。

1 工程概況

鄭州市軌道交通4號線會展中心站車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為三層三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，與既有地鐵1號線換乘站呈T字換乘，其中下穿既有1號線車站采用暗挖法施工，如圖1所示，長度為23.9 m，底板埋深28.0～32.9 m。既有1號線車站施工過程中，在底板下設(shè)置了兩排800 mm厚地下連續(xù)墻，且預(yù)留了打開條件。

換乘節(jié)點處地層以粉砂層為主，上部局部為黏質(zhì)粉土，下部局部為細砂層。該處地下水主要為微承壓水，主要賦存于粉砂、細砂層含水土層中，含水層頂板埋深15.0～20.5 m。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求[13]，運行期間地鐵結(jié)構(gòu)最大沉降值不應(yīng)超過20 mm；第三方評估單位通過對既有1號線結(jié)構(gòu)運營監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，建議換乘節(jié)點暗挖施工階段既有結(jié)構(gòu)允許最大沉降量為7.5 mm，并將換乘節(jié)點施工段設(shè)定為一級風(fēng)險工程。

2 下穿段施工方案比選

2.1 比選方案簡介

為確保換乘節(jié)點施工安全，施工前研究擬訂了兩個施工方案。

方案一：按常規(guī)地鐵車站換乘節(jié)點整體預(yù)留后澆帶施工模式，新舊結(jié)構(gòu)連接端圍護結(jié)構(gòu)待暗挖段結(jié)構(gòu)施工完成后整體破除，并從下到上依次施工后澆帶。

方案二：既有車站圍護結(jié)構(gòu)隨新建車站基坑開挖而逐漸破除，新建車站的負一層、負二層板墻與既有結(jié)構(gòu)板墻之間取消后澆帶，直接采用剛性連接，新舊結(jié)構(gòu)連接端僅在新增層(負三層)位置預(yù)留后澆帶，新增層位置后澆帶待暗挖段結(jié)構(gòu)施工完成后再進行施工。

2.2 施工力學(xué)效應(yīng)數(shù)值模擬對比分析

為對比分析兩種方案下既有車站結(jié)構(gòu)的變形、受力特征，采用有限差分法對施工過程進行了模擬研究。計算模型71.4 m(長)×74.9 m(寬)×55.4 m(高)，共劃分591 039個單元。模型中，基坑鋼支撐選用梁單元，噴射混凝土選用殼單元，土體、地下連續(xù)墻及主體結(jié)構(gòu)等均采用實體單元進行模擬。除地表設(shè)置為自由面外，模型其他各面均采用法向位移約束邊界。其中負一、二層后澆帶部位直接采用單元進行剛性連接，具體模型如圖2所示。計算模型中地層和結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)分別見表1、表2。

圖2 數(shù)值計算模型

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

換乘節(jié)點施工結(jié)束后，既有1號線車站底板道床豎向沉降曲線如圖3所示；既有結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)連接處剪應(yīng)力、拉應(yīng)力分布如圖4～圖5所示。

根據(jù)計算結(jié)果可得：①與方案一相比，方案二沉降控制效果優(yōu)勢明顯；②施工結(jié)束后，方案二的既有結(jié)構(gòu)和新建結(jié)構(gòu)連接部位剪應(yīng)力略有增大，但未超出混凝土極限強度值，結(jié)構(gòu)受力安全；③對于方案二，在負一、二層采用剛性連接可有效減小暗挖施工引起的結(jié)構(gòu)沉降，弱化對暗挖控沉的依賴性，優(yōu)于方案一。

表2 建筑構(gòu)件物理力學(xué)參數(shù)

圖3 道床位置處底板豎向位移

圖4 既有結(jié)構(gòu)連接處剪應(yīng)力分布

圖5 新建結(jié)構(gòu)連接處板拉應(yīng)力分布

2.3 技術(shù)經(jīng)濟效益比較

根據(jù)數(shù)值模擬并結(jié)合本工程的特點，兩方案的技術(shù)經(jīng)濟效益比較結(jié)果如表3所示，可以明顯看出方案二的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)于方案一。

表3 兩種方案技術(shù)經(jīng)濟綜合比較

綜上，方案二充分利用了基底厚砂層無明顯流變特性的工程特點，在確保新、舊結(jié)構(gòu)連接節(jié)點強度安全的前提下，通過取消換乘節(jié)點兩側(cè)明挖結(jié)構(gòu)施工過程的后澆帶，將新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)連成整體，從而對既有車站結(jié)構(gòu)形成托舉效果，能夠?qū)崿F(xiàn)有效控制施工變形目的，并可在一定程度上降低暗挖過程臨時支護及土體加固要求，節(jié)約施工成本，同時縮短了由于新舊結(jié)構(gòu)間后澆帶單獨施工所需要的工期，故推薦該方案為首選實施方案。

3 換乘節(jié)點暗挖段托舉施工技術(shù)

換乘節(jié)點暗挖段托舉法施工工藝流程如圖6所示。

3.1 基坑開挖技術(shù)

既有換乘節(jié)點兩側(cè)明挖段基坑采取分層對稱開挖，分層高度不大于1.5 m，隨挖隨撐，保持既有結(jié)構(gòu)兩側(cè)土壓平衡，減少基坑開挖過程對既有結(jié)構(gòu)的影響。在開挖過程中每開挖1.5 m及時對后期需要破除的地下連續(xù)墻采用繩鋸切割分塊吊出，需暗挖部分箱體兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)暫不破除，以保證既有箱體內(nèi)部土體和上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖6 施工工藝流程

3.2 上部結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)連接技術(shù)

為保持既有車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，新建車站主體結(jié)構(gòu)負一層、負二層邊墻、板分別與既有車站相應(yīng)結(jié)構(gòu)的鋼筋采用套筒連接(前期施工預(yù)留接駁器)或植筋連接(前期施工未預(yù)留接駁器)，澆筑混凝土使新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)連成整體，從而形成暗挖段施工過程的新建結(jié)構(gòu)對既有結(jié)構(gòu)的托舉體系(負三層結(jié)構(gòu)待新增層暗挖段結(jié)構(gòu)完成后，以后澆帶形式與暗挖段結(jié)構(gòu)連接)。施工期間必須加強新舊混凝土界面處理及既有結(jié)構(gòu)鋼筋與新建結(jié)構(gòu)鋼筋的連接質(zhì)量。

3.3 暗挖段降水、加固

充分認(rèn)識在封閉箱體內(nèi)“單純注漿外壓無法釋放，注漿壓力累加易造成既有結(jié)構(gòu)隆起；單純降水，封閉空間內(nèi)的土體二次固結(jié)收斂，造成既有結(jié)構(gòu)下沉”的特點，采用水泥—水玻璃雙液漿超前加固土體+真空降水同步進行，同時采用孔隙水壓力計對降水及注漿全過程進行監(jiān)測，保持整個注漿、降水過程封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力平衡，以減少降水及加固過程對既有結(jié)構(gòu)的隆沉影響。降水加固標(biāo)準(zhǔn)：鉆孔取芯探孔無水流出，土體加固強度≮1 MPa，保證土體開挖過程自穩(wěn)能力和暗挖段初期支護封閉前中間土體對既有結(jié)構(gòu)提供適當(dāng)?shù)某休d能力。暗挖段注漿、降水、測壓孔位布設(shè)如圖7所示。

圖7 暗挖段注漿、降水、測壓孔位布設(shè)

3.4 暗挖段開挖、結(jié)構(gòu)施工

暗挖段土體開挖施工需在兩側(cè)明挖段結(jié)構(gòu)強度達到設(shè)計要求、對既有結(jié)構(gòu)形成有效托舉作用并且暗挖段土體加固降水效果達到要求后進行。暗挖段施工采用兩側(cè)導(dǎo)洞先行、后中間土體開挖的工法，地連墻分部破除后，暗挖段土體左右兩側(cè)導(dǎo)洞采用臺階法開挖，開挖完成后分組施作底板及側(cè)墻。待兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)底板及側(cè)墻施工完成對既有1號線結(jié)構(gòu)形成支撐體系后，再進行中部土體分臺階開挖及底板施工。暗挖段內(nèi)部南北兩側(cè)地連墻位置分別預(yù)留2 m后澆帶待暗挖段結(jié)構(gòu)施工完成后與明挖段結(jié)構(gòu)進行連接。

4 施工沉降與受力監(jiān)測

4.1 監(jiān)測內(nèi)容

(1)既有車站道床位移監(jiān)測：施工過程中，采用測量機器人三維坐標(biāo)監(jiān)測+靜力水準(zhǔn)豎向位移監(jiān)測兩套自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對既有1號線站內(nèi)道床沉降進行實時監(jiān)測。

(2)新舊結(jié)構(gòu)連接部位應(yīng)力監(jiān)測：在既有1號線車站與新建4號線車站連接端選擇5個斷面安裝混凝土應(yīng)變計、混凝土表面應(yīng)變計，便于后期暗挖段土體加固、降水及開挖過程對新舊混凝土交接處結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行監(jiān)測，以指導(dǎo)隧道暗挖段施工。測點布置如圖8所示。

圖8 新舊混凝土連接部位應(yīng)力測點布置

(3)暗挖段主要進行收斂變形監(jiān)測。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

4.2.1 既有線路監(jiān)測

選取暗挖段上方中部和左、右兩側(cè)三個斷面對應(yīng)的左線和右線上道床沉降變形進行了重點監(jiān)測，各個施工階段對應(yīng)的豎向變形規(guī)律如圖9、圖10所示(圖中施工階段：1為換乘節(jié)點注漿、2為左導(dǎo)洞開挖及支護、3為右導(dǎo)洞開挖及支護、4中間洞門剩余地連墻破除、5為中間底板混凝土澆筑、6為全部施工完成)；施工結(jié)束后上、下行線多點沉降監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。監(jiān)測結(jié)果顯示先開挖導(dǎo)洞上部的上行線道床沉降最大值1.98 mm，較后開挖導(dǎo)洞上部的下行線道床沉降最大值1.60 mm稍大，但各測點最大沉降均遠低于設(shè)計允許沉降量7.5 mm，說明整個施工過程未影響既有線運行安全。

4.2.2 新舊結(jié)構(gòu)連接部位應(yīng)力監(jiān)測

暗挖隧道開挖2018年7月1日開始到2018年8月15日完成，對新舊結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力監(jiān)測持續(xù)到2018年12月29日，新舊結(jié)構(gòu)連接位置處的混凝土最大拉應(yīng)力為0.95 MPa，未超過混凝土極限拉應(yīng)力，且已無增大趨勢，現(xiàn)場巡查新舊混凝土接觸面附近無裂紋產(chǎn)生。

圖9 左線道床沉降

圖10 右線道床沉降

圖11 既有1號線影響段上、下行線靜力水準(zhǔn)監(jiān)測值

4.2.3 暗挖段施工內(nèi)部變形監(jiān)測

通過整個暗挖施工過程數(shù)據(jù)分析，暗挖段初支收斂左線左側(cè)導(dǎo)洞最大值3.74 mm，右線右側(cè)導(dǎo)洞最大值4.24 mm，滿足規(guī)范及設(shè)計相關(guān)要求，隧道開挖過程安全可控，如圖12所示。

圖12 凈空收斂累計變化值

5 結(jié)論

(1)在換乘節(jié)點兩側(cè)明挖結(jié)構(gòu)施工過程中，直接將新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)的負一、二層連成整體，可實現(xiàn)對后續(xù)暗挖施工引起的既有車站沉降的托舉作用；在滿足施工安全的前提下，也起到節(jié)約施工成本的目的。

(2)托舉法的關(guān)鍵施工技術(shù)包括基坑開挖技術(shù)、新舊結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)、暗挖段降水、加固技術(shù)和暗挖段開挖、結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。

(3)數(shù)值計算和現(xiàn)場實測結(jié)果表明，采用托舉法施工可同時保證既有車站運行和結(jié)構(gòu)受力安全。

(4)托舉法的使用具有一定的前提條件，即基底為承載力較高、無明顯流變特性均質(zhì)地層(如砂層)且工后差異沉降??；施工前，應(yīng)在理論分析與監(jiān)測明挖段施工引起的沉降發(fā)展的基礎(chǔ)上進行方案選用。