暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施

王春希

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，西安 710043)

1 工程及地质概况

北京地铁7号线广渠门外站～双井站区间左右线下穿既有10号线双井站暗挖段，10号线双井站为中间单层暗挖，两端三层明挖的车站，单层暗挖段为单柱双跨马蹄形隧道，宽20 m，高9.64 m，采用中导洞+CRD法施工，中心里程处的轨面高程为16.661 m。该段拟建7号线区间隧道为单洞单线隧道，隧道埋深23.5 m，埋深较大，从10号线双井站暗挖段下方紧贴结构下穿双井站，隧道上方管线密布，主要有2.0 m×2.35 m 的电力管沟，5.6 m×3.0 m 的热力管沟，周边环境复杂，沉降控制是本工程的难点。隧道与既有站剖面关系见图1、图2。

本区段地质条件为第四系沉积物，以古金沟河故道和古金沟河故道河间地块沉积为主，表层以厚度不均的人工堆积的房渣土、素填土为主，以下为第四纪沉积的粉土、粉质黏土、粉细圆砾卵石、卵石层。地下水类型为上层滞水、潜水，局部分布有承压水。上层滞水埋深一般为2～6 m，潜水层埋深起伏较大，一般在8～15 m，承压水埋深16.3 m，含水层主要为砂土、圆砾卵石层。

图1 隧道与既有站横剖面关系(单位:m)

图2 隧道与既有站纵剖面关系(单位:m)

2 既有10号线双井站安全性评估及变形控制指标

依据《北京地铁7号线广渠门外站～双井站区间隧道工程下穿既有地铁10号线双井站安全性影响评估报告》，既有地铁10号线结构变形控制值为3 mm。轨道结构及主体结构变形控制指标见表1。

表1 轨道结构及主体结构变形控制指标

3 计算分析

3.1 模拟工况选择

根据周边环境、地质条件、既有站沉降控制要求等因素，并确保既有线运营安全，最大限度地减少对既有线列车正常运营的影响，研究分析下面两个方面:(1)不同工法的比较，不考虑任何预加固措施，主要比较全断面法、台阶法和CRD法3种工法情况;(2)不同加固范围的影响，考虑4种不同加固范围情况:不考虑任何预加固措施(工况1);仅考虑隧道掌子面加固(工况2);考虑施工隧道掌子面加固和隧道左右侧加固3 m(工况3);考虑施工隧道掌子面加固、和隧道左、右及底部加固3 m)(工况4)。

10号线双井站暗挖段初期支护采用350 mm厚C25喷射混凝土+格栅钢架，二次衬砌采用700 mm厚模筑钢筋混凝土，区间隧道初期支护采用350 mm厚C25喷射混凝土+格栅钢架，临时支护及设置千斤顶处采用型钢钢架;二次衬砌采用模筑C40钢筋混凝土，抗渗等级P10，顶板、侧墙厚600 mm，底板厚700 mm。

3.2 选择计算模型和计算参数

对以上两个方面采用FLAC3D程序分别进行理论计算。为减少边界约束效应，计算范围按左右边界距隧道中心线距离3～5倍洞径考虑，底部边界距隧道底部的距离按3～5倍隧道高度考虑。计算模型尺寸为60 m×109.6 m×58.513 m，模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，地表为自由边界。围岩及二次衬砌结构均采用八节点六面体单元来模拟，初期支护采用壳单元来模拟，模型共划分了149 084个节点和138 000个单元。三维计算模型如图3所示。

图3 整体三维计算模型

围岩视为摩尔-库仑理想弹塑性材料，支护结构及衬砌结构视为弹性材料。围岩、加固区、二次衬砌及初期支护的物理力学指标如表2、表3所示。

表2 围岩各层物理力学性能指标

表3 初期支护、二次衬砌及加固区物理力学性能指标

3.3 不同工法既有车站监测结果分析

3种工况下既有车站竖向位移图分别如图4、图5和图6所示;既有车站竖向最大位移如表4所示。

图4 全断面法施工既有车站结构的竖向位移(单位:m)

图5 台阶法施工既有车站结构的竖向位移(单位:m)

图6 CRD法施工既有车站结构的竖向位移(单位:m)

表4 既有车站竖向最大位移

由图4～图6和表4可以看出，3种不同工况下，隧道采用全断面法和台阶法施工导致的既有车站的竖向位移都较大，而CRD法施工引起的既有车站的竖向位移较小，为另两种工法引起的竖向位移的一半不到，说明CRD法对控制竖向位移效果显著。

3.4 不同加固范围的比较

根据上面研究结果，对下穿隧道建议采用CRD法施工，但不考虑任何预加固措施情况下，区间隧道的施工不能满足既有线变形控制要求，下面考虑不同加固情况下，区间隧道施工引起既有线结构及轨道的竖向位移。

(1)既有车站竖向位移

工况4(考虑施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)既有车站竖向位移如图7所示;4种不同工况下既有车站竖向最大位移如表5所示。

图7 工况4既有车站结构的竖向位移(单位:m)

表5 既有车站结构竖向最大位移值 mm

由图7和表5可以看出，工况4(考虑施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)引起既有结构的竖向位移最小，工况3(考虑施工隧道掌子面加固和隧道左右加固3 m)引起既有结构的竖向位移较工况4相差较小。

(2)既有车站轨道竖向位移

既有车站轨道示意如图8所示，图9为工况4(考虑施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)既有车站轨道竖向位移曲线图;图10和图11为既有车站轨道与区间右隧道拱顶交界处的点的竖向位移随开挖步的关系。4种不同工况下既有车站轨道竖向最大位移如表6所示。

图8 既有车站轨道示意

图9 既有车站轨道竖向位移

图10 轨道1与区间右隧道拱顶交界处点的竖向位移随开挖步的关系

图11 轨道2与区间右隧道拱顶交界处点的竖向位移随开挖步的关系

表6 既有车站轨道竖向最大位移 mm

由图9、图10、图11和表6，根据数值模拟结果可以看出，4种不同工况下既有车站竖向位移最大值发生位置均在区间隧道拱顶与既有车站底板的交界处，区间隧道开挖至既有车站轨道前，既有车站轨道已发生竖向变形，区间隧道开挖至既有车站轨道后25 m范围左右，既有车站轨道竖向位移达到最大，最终趋于稳定，4种不同工况下既有车站轨道竖向位移最大值比较结果为工况4最小，工况1最大，工况3与工况4相差不大，说明考虑隧道底部加固3 m对减小既有车站竖向变形作用效果不明显，考虑施工隧道掌子面加固和隧道左右加固3 m对减小既有车站轨道竖向变形效果显著。

4 具体工程措施

根据以上分析，下穿隧道主要采用CRD法施工，掌子面及周边一定范围土体深孔注浆加固措施控制既有线车站结构沉降变形。

施工前，对既有线采取以下措施。

(1)对钢轨、扣件及道床等进行全面检查，调整后轨道状态满足《工务维修规则》中“计划维修”标准的要求。并在下穿作业开始后即采取限速运行，限速建议值20～30 km/h。

(2)在既有线站内实施第三方监测，制订周密的监测方案，对轨道结构变形进行监测。采用远程监控系统对其结构及轨道变形等进行全天候的实时监控量测，及时反馈信息，指导建设单位的施工和运营部门采取相应的安全措施。

施工采取的具体措施如下。

(1)隧道开挖前，进行深孔注浆加固掌子面和隧道左右3 m土体，注浆浆液主要采用普通水泥-水玻璃双液浆，具体配比根据现场试验确定，注浆压力建议值为0.5～1.0 MPa。要求加固后的开挖面土体无侧限抗压强度达到0.6 MPa，周边土体加固区达到1.2 MPa，渗透系数≤10-6cm/s。

(2)施工方法采用CRD法开挖，左右线对称进行，按外侧上贯通→外侧下贯通→浇筑二衬→内侧上贯通→内侧下贯通→浇筑二衬的总体步序进行各洞室施工，各洞室采用台阶法开挖，保留核心土，上下台阶纵向步距2～3 m。施工中严格控制开挖进尺为0.5 m，严格控制超挖;各部施工应连续作业，尽早封闭成环，减少掌子面暴露时间。

(3)初支及二衬背后注浆施作初支时应预埋φ32 mm注浆管，初支施作完毕后注浆回填初支与土层间的空隙。注浆压力控制在0.3 MPa，注浆管布置间距:拱部 0.5 m(环向)×0.5 m(纵向)、边墙及仰拱1.0 m(环向)×1.0 m(纵向)，施工过程中根据沉降情况，进行多次补注浆。二衬模筑时预埋注浆管，二衬完成后及时在其背后压注水泥浆液。

(4)当沉降超警戒值时，启动千斤顶顶升及隧道底部3 m加固土体措施，设置千斤顶处采用型钢钢架，利用千斤顶调节控制双井站及地面沉降;千斤顶最大顶力不超过1 000 kN，行程不小于100 mm，千斤顶具备单独顶升和整体协同顶升的功能。在上层洞室封闭成环后，施加300 kN预顶力，按5 t分级逐级加载，下层洞室封闭成环后，再根据既有线沉降监测情况，随时调整千斤顶顶力，及时有效控制既有线车站沉降。千斤顶处钢架总装见图12。

5 结语

图12 千斤顶处钢架总装图(单位:cm)

通过计算分析，采用CRD工法开挖，较全断面法及台阶法对控制既有车站结构和轨道竖向位移效果显著;隧道掌子面及周边一定范围土体采用深孔注浆加固，可以有效控制既有车站结构及轨道竖向变形，满足既有线结构使用和运营要求。工况3、工况4两种加固范围均满足地铁10号线结构及轨道变形控制值，工况3与工况4的区别是对隧道底部是否进行加固，工况3较工况4具有施工简便，节约造价及工期等优点，沉降控制满足既有线车站结构及轨道沉降变形。综合考虑推荐工况3，即采用CRD工法开挖，掌子面和隧道左右3 m加固地层的方案。

北京地铁7号线广渠门外站—双井站区间暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施是本工程隧道设计中的难点问题之一，目前隧道已顺利贯通。结合广渠门外站—双井站区间暗挖隧道下穿既有站的设计方案、理论分析及施工情况，阐述了暗挖隧道采用的沉降控制措施，以供后续类似项目参考和借鉴。

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