暗挖下穿既有隧道的地铁车站结构设计分析

2018-01-24

四川水泥 2018年1期

（武汉新业人力资源服务有限公司，湖北武汉 430063）

随着国家地铁建设规模的不断扩大，暗穿下挖即带有隧道的地铁结构工程的建设也是越来越多，随着城市轨道交通线网的日益密集，地铁站的环境也是越来越复杂。而暗穿下挖式地铁的建设对于轨道交通来说也是局势所需。因此，国家应加强对暗挖下穿既有隧道的地铁车站重要程度认知，分析有隧道的地铁车站结构对于地铁工程的建设和发展有重要意义。

一、当地地铁工程概况

（一）以当地地铁工程为例，湖北省武汉市的地铁四号线是武汉市地铁开设的第三条运营路线，也是国家第二个穿越了长江的地铁路线。线路共途径武汉市武昌区、汉阳区和洪山区这三个中心区域，一共衔接了武汉市火车站与武昌火车站两大铁路枢纽站。武汉地铁四号线与武汉地铁一号线和武汉地铁二号线构成了一个大大的“工”字。[1]武汉地铁四号线与武汉地铁二号线在武汉中南路站和武汉洪山广场站实现了连续同站台换乘运营模式，成为中国首位同站连续运营的换乘车站。

（二）通过相关专家分析得出，武汉四号线地铁路口车站内部分布的地质层岩层倾角为 65。，倾向为 275。，车站的地貌属于丘陵区斜坡式地貌，无具体统一的地下水位。地下水的组成主要是基岩层裂隙水和松散层孔隙水。由于地下水受气候和降水因素影响使得孔隙水在填土厚度小的地区水量有限制，在填土厚度大的地区孔隙水较大。具体参考以下地质情况表1。

表1 地质地层情况表

（三）武汉市四号线地铁工程的土层划分情况为人工堆积层（Qml）、晚更新世纪冲洪积层(Q3pl+al)和全新世纪冲洪层（Q4pl+al）这三类土层。[2]其主要构造为从上而下的顺序：①粉制土—①1杂填土—③粉土—③1粉质粘土—③2黏土—④粉质粘土—⑥粉质粘土—车站地板（注：文字前序号代表数量或份数）。场地范围下四层地下水分布：上层滞水—潜水—车站楼板中间层—层间水—承压水—车站底板1m。

二、暗挖下穿的地铁车站结构设计分析

（一）结构设计工序

暗挖下穿的车站结构是带有隧道的构建结构，对于这类地铁的施工方案常用的有三种类型：盖挖法、明挖法和矿山施工法。对于暗挖下穿的隧道施工工程，在保证设计施工的结构安全前提，严格控制地层沉降的现象发生。湖北省武汉市地铁车站为地下暗挖式车站，采用小导管注入浆体来加固整个地层和中洞施工CRD施工法，中洞开挖后进行支护，之后铺建防水底板层和架构底纵梁与结构底板，这个过程要注意钢筋的搭接长度和防水层的预留；接下来，在中洞内部构建钢管混凝土柱、底纵梁和中纵梁、中板，铺设拱部结构、拱部防水层和顶纵梁，把中洞内原有临时支护拆除，中洞的施工完成。两侧洞的实施办法是采用台阶法进行挖掘，用小导管辅助完成加固施工，在两侧洞内布置边墙防水层并铺设底板，完成部分边墙结构和底板的建筑，侧洞内施工与洞内连接的内中板相连接，继续增加两侧洞内的边墙和拱部防水层的结构，与中洞内部结构完成衔接，当两次砌建完成后拆除之前所有的临时支护结构，最终完好主体结构的构建。[3]

（二）地铁总体结构构建方案

由于武汉市的地貌特点，为了有效控制隧道的沉降现象发生，将车站设计成拱顶式车站，在车站与隧道间留有一定的安全距离，隧道的底板深埋度约为13.5cm，留5cm的安全距离之后，车站的顶板深埋度就应是18.5cm，这个数值的深埋量会使得车站桩基础压力过大和地基承载力f值的有限增长，最后结果会导致工程风险和设计难度的增加。5cm的安全距离很难保证车站施工时隧道的沉降值≤55mm，隧道中墙与边墙沉降值≤9mm。因此，可以将车站设计成平顶直墙断面的结构模式，将车站顶板紧密贴合隧道底板，这样可以有效降低设计荷载和深埋的减小及车站结构构件尺寸的减小。另外，车站顶板密贴隧道的结构设计不仅能够形成隧道的主要支顶，同时有效减小了隧道的机构沉降率。

（三）地铁隧道结构控制标准分析

图1 地铁车站施工对地铁结构的总体影响说明图

由上图的说明可以看出新地铁工程的建设对原有的地铁结构会造成一系列的影响。在施工过程中由于地层的损失和挖掘机器的扰动以及地铁隧道的移动和变形，会引起隧道的净空产生变化，随之而来的就是隧道内的轨道发生变形和移动。因此，为有效避免线路的变形和轨道的移动现象发生，对于地铁隧道结构的变形进行一定的控制是问题的关键，解决变形的沉降和两侧变形的差异沉降是地铁轨道建设结构变形控制的重点和核心。[5]为制定合理的地铁建设结构变形控制标准，在施工前通过对地铁现有结构进行了详细的评估和检测，得出相关数据。对混凝土外观、混凝土裂缝、混凝土碳化深度、混凝土强度、钢筋保护层厚度、混凝土碱含量、混凝土氯离子检测以及钢筋锈蚀情况等各方面都进行了仔细的检查。依据相关评估结果显示现有的地铁结构是基本完好的。参考国外相似工程相关经验并结合检测报告结果以及安全核算结果，经过专家们的研究讨论，最终确定了地铁的隧道架构沉降标准控制在40.5mm以内，36.5mm是地铁隧道结构沉降的最低标准值和目标值。

（一）因暗挖下穿隧道地铁的建设是一道涉及到多道工序和多次受力结构转换测试的重大工程，地铁的后期程序都是由前期诸多程序累加而来的，所以对前期的每一道程序、其中的每一个步骤都要严格把控。要依照相应的标准来把控沉降值，36mm是对现有地铁隧道结构沉降值的标准，依据现有的地铁隧道结构特点和变形过程以及结构变化分配的方法和原理，结合数值模拟计算进行实验的多次修正，同时对现有地铁隧道架构沉降标准控制进行相应的分解，确定好每个施工步骤的控制值，最终实现地铁隧道结构沉降阶段性的控制。

三、暗挖下穿地铁隧道架构检测和相关控制措施

（一）监测系统和道床沉降实测分析

传统的检测系统无法实现实时准确的数据反馈和采集，并且在车区间高密度的环境下也很难实施。选用高密度自动化远程静力水准监测系统对现有的地铁隧道架构进行不间断的实时监测，可有效解决数据的及时采集和真实性。结合新地铁站施工引起的沉降情况和地铁隧道结构以及轨道的结构特点，在现有地铁结构上设计了隧道结构沉降、两轨之间水平间距、轨道结构沉降以及变形膨胀等监测点。同时实际的监测数据统计中发现，轨道中两轨间的水平间距、变形膨胀和高差值等数据变化并不大，都在要求的控制标准之内。但道床与隧道结构的沉降比较大，最大沉降值主要发生在变形缝隙处，因此，总结以上陈诉，轨道变形缝隙处的施工是整个施工中需要控制的重中之重。由于地铁隧道结构的变形缝隙处刚度很小，随着施工的推进，隧道结构会呈现出刚体特征，变行缝隙处会出现最大沉降值，容易将沉降线分割成若干条类似直线的线段。另外，由于道床刚度较小，隧道与道床之间无连接，沉降曲线为非线性曲线，这些因素的不协调直接导致变形缝隙处附近与隧道结构和道床之间出现脱离现象，最大脱离值达12.8mm,最大脱离区域为7.1mm。[6]

（二）道床与隧道结构问题处理措施

为了有效的保证地铁隧道的施工顺利和安全运营，在隧道侧洞施工前，可以对隧道与道床结构之间的开脱部位进行灌浆和加固。灌浆时采用漏斗法进行高位灌输，保证浆体有一定的压力能够进入隧道与道床结构之间开脱部位的缝隙之间，同时要注意灌输期间不会出现因压力过大而产生道床隆起现象。通过多次的实验证明，浆液应选择经过加工处理的CGM-3型高强和早强等无收缩性流态的罐装浆液，在具有一定的扩散性和流动性的环境条件下，在 2.5小时后满足浆体强度≥16MPa。在整个灌浆实验结束后，仔细观察浆液是否完全填满，加固效果是否良好，最后保证道床在车体运营情况下是安全稳定并且无任何问题的。

（三）地铁隧道结构沉降量问题处理措施

由于先期工程施工完毕导致的中洞结构和中洞管棚之间的刚度过大，具备高压性灌输浆体条件，可以在新建地铁车站结构和地铁隧道中的土体进行抬升式灌浆，来弥补前期施工导致的损失。值得注意的是抬升式灌浆法要从导洞上的天梁两侧进行实际灌输浆体操作。注浆工程可以分五个区域进行，一区和五区在轨道的外侧，三区在轨道中间，二区和四区在轨道的正下方，运用排灌进行灌浆时灌浆管间距为0.6m,二区与四区之间灌浆管长2.6m,剩余区域灌浆管长度为3m。灌浆水灰比控制在0.95，浆体凝固时间为25分钟左右，采用分阶段式进行低速度灌浆，将地铁隧道车站结构中侧洞内土体与中洞范围内土体进行分割，对一区、三区和五区进行再次灌浆，达到加固和止浆的作用。灌浆过程中出现漏浆情况时要及时补浆，防止土体沉降的现象发生，确保灌浆之后一个月时间内地铁隧道结构最大抬升值达到16.5mm,并且左、右隧道结构抬升率总体平稳。