双层车站零距离下穿既有车站变形控制技术

2022-02-18张振波王煦霖郑凯刘志春胡指南

科学技术与工程 2022年2期

张振波，王煦霖，郑凯，刘志春*，胡指南

(1. 石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043； 2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 3.中铁十四局集团有限公司, 济南 250000)

随着中国城市化进程的推进，城市地下空间开发利用进入快速增长阶段，“十三五”规划指出，科学和合理地推进城市地下空间开发利用，大力提高城市空间资源利用效率，更好发挥地下资源潜力，初步建立较为完善的城市地下空间规划建设管理体系。地铁作为地下空间开发利用缓解城市交通拥堵的重要交通措施，已由最初的独立单线连接成网状。现阶段，大多数城市新建地铁均会出现下穿既有结构的情况。一旦稍有疏忽，便会影响到既有结构的正常使用。

关于下穿工程既有地铁结构变形一般规律性研究较少，仅有王剑晨等[1]结合北京地区10个近接下穿工程23组数据，发现既有结构沉降绝大多数符合Peck公式分布规律，并对Peck公式进行修正。陶连金等[2]针对新建结构下穿结构工程，围绕主要施工工法、工序、既有结构变形控制措施、既有结构变形特性、沉降变形机理等内容进行了文献汇总，提出了有待加强和深入研究的方向。白海卫等[3]总结北京地区13个下穿案例中若干组变形数据，归纳出新建隧道常见的结构形式及施工措施，分析既有地下结构变形规律，采用两阶段法研究了各因素影响下既有地下结构的力学规律。

学者们主要依托实际工程对下穿地铁隧道[4-8]、地铁车站[9-10]、地下管线[11]等既有结构，研究下穿工程施工过程中其变形规律与施工控制措施。阿卜杜拉等[12]采用模型试验的方法探究了盾构下穿既有隧道的变形规律。

有关下穿地铁车站工程的研究相对有限，李兴高等[13]依托北京地铁机场线下穿地铁13号线东直门站工程，详细介绍了柱洞法下穿既有车站的一种主动防御的控制方法—可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)液压千斤顶分级分区控制技术。贾龙飞[14]依托北京地铁16号线苏州街车站下穿10号线苏州街车站工程，采用数值分析方法研究了既有结构沉降变形、结构承载能力，优化了开挖顺序与开挖进尺。陶连金等[15]结合北京地铁10号线公主坟站密贴下穿既有地铁1号线公主坟站工程，研究了交叉中隔壁(center cross diagram，CRD)+千斤顶支撑对于既有车站变形控制措施，结合现场监测结果，新建车站密贴下穿既有线车站结构变形特征，分析了沉降原因，提出了工程处理措施，包括深孔注浆、超前小导管注浆、增加临时立柱和千斤顶、采用超细水泥浆进行初期支护背后回填注浆、多台千斤顶同时加力顶升等措施实施效果。

很多学者针对下穿工程既有结构变形控制措施开展了研究，更多的研究聚焦下穿既有隧道工程，也有学者研究隧道下穿既有车站变形规律。针对新建两层三跨地铁车站下穿既有地铁车站情况，新建地铁车站施工工法对既有车站结构运营产生影响，但关于8导洞柱洞法(plie-beam-arc，PBA)工法新建地铁车站对既有地铁车站变形的影响研究较少。

基于此，现依托北京地铁6号线南延苹果园站工程，研究既有车站变形控制技术，探究注浆抬升、丝杠支顶、高压回填注浆3项综合工程措施的既有车站变形控制效果，优化丝杠设计参数，结合现场实施效果与监测数据，验证以上工程措施的可行性。以期为两层三跨地铁车站密贴下穿既有结构变形控制提供新措施。

1 工程概况

新建北京地铁6号线苹果园站全长324.4 m，站台宽度14 m，车站标准段宽度为23.0 m，最大断面宽度23.5 m。主体结构采用暗挖PBA工法+明挖法施工。新建北京地铁6号线苹果园站与既有北京地铁1号线苹果园站关系如图1所示。

其中，下穿段车站主体结构为两层三跨箱型框架结构，斜向70°角密贴下穿既有M1苹果园站主体结构。车站顶板覆土约11 m，底板埋深约27 m。

1.1 工程水文地质

勘察资料表明，下穿段的土层主要由人工堆积层、新近沉积层、第四纪晚更新世冲洪积层、三叠纪基岩四大层。施工时遇到的土质情况如图2所示。

本车站结构范围内车站范围内存在一层地下水，主要为潜水，水位埋深39.76 m，水位标高为31.58 m。地下水位在车站底板以下10.4 m左右。

1.2 施工工法简介

采用PBA 八导洞工法施工，导洞与既有结构位置关系如图3所示。

图1 新建地铁车站与既有车站平面位置关系Fig.1 Plane position relationship between new subway station and existing station

图2 土质情况Fig.2 Soil condition in construction

图3 土质情况导洞与既有车站位置关系剖面Fig.3 Section of location relationship between pilot tunnels and existing station

新建地铁车站施工工序如下，第1步：导洞4A与4D同时施工；第2步：待导洞4A与4D施工6 m后，导洞41与44同时开始施工；第3步：待导洞41与44施工10 m后，导洞4B开始施工；第4步：待导洞4B施工10 m后，导洞42开始施工；待导洞4B通过既有地铁车站后，导洞4C开始施工；第5步：待42导洞通过既有地铁车站后，导洞4C开始施工，直至所有导洞贯通。第6步：施作条基、顶纵梁、边桩与立柱；第7步，将上导洞41与42，43与44间土体开挖；第8步，待导洞41与42，43与44间土体开挖20 m后，开挖42与43间土体；第9步：扣拱，上部导洞通过浇筑混凝土形成结构；第10步：向下开挖，施作中板；第11步：向下开挖，施工底板，形成两层三跨结构。

1.3 工程重难点

既有车站结构下方大体量土体开挖造成的既有结构变形能否满足既有结构正常使用值得商榷。结合本工程具体施工方案，给出工程重难点。

(1)导洞开挖。导洞施工过程中，开挖效应必然引起既有结构产生沉降。导洞开挖过程中，无法施工立柱、条基、顶纵梁等结构，即无法利用以上结构控制既有结构的变形。因此，在具备立柱、条基、顶纵梁等结构施工条件前，需采取工程措施，使得导洞开挖引起的既有结构变形满足既有结构正常使用的要求。

(2)相邻导洞间的土体开挖。扣拱前需要将上层导洞相互之间的土体挖除。在土体挖除后，扣拱浇筑混凝土前的这个阶段，既有结构部分部位处于悬空状态，此时的变形值会较大，可能会不满足既有结构正常使用的变形要求，甚至破坏结构。

(3)扣拱浇筑混凝土硬化阶段。扣拱后浇筑混凝土，由于混凝土的收缩性能，必然会使得新建结构顶板与既有结构底部产生间隙，进而再使得既有结构产生由于扣拱时混凝土收缩产生的变形。对于变形要求的严格的既有地铁车站结构，需采取相应工程措施控制该部分变形。

2 既有结构变形控制关键技术

针对1.3节中提到的3个工程难点，相应的既有结构变形控制技术(深孔注浆、抬升注浆、丝杠支顶、高压回填注浆)如下。

2.1 深孔注浆

结合水文地质情况(水位较低、以砂卵石地层为主)，注浆效果很好。在导洞开挖时，采用深孔注浆技术，控制既有结构变形。深孔注浆示意图如图4所示，注浆参数如下：①在上台阶核心土范围外的掌子面设置止浆墙，厚度为300 mm，采用C20喷射混凝土，并设双层A6@150×150钢筋网，第一道止浆墙需采用型钢支撑保证稳定；②注浆压力控制在0.8～1.0 MPa；③浆液采用水泥-水玻璃双液浆，扩散半径0.5 m。

2.2 抬升注浆

仅仅采用深孔注浆，导洞开挖过程中很难满足既有结构变形要求。通过导洞间抬升注浆，抬升既有结构。并且抬升注浆后，为后续施工工序引起既有结构变形留有余量，满足既有结构的变形要求。抬升注浆主要包括布置注浆孔、制作止浆墙、抬升注浆。具体如下。

在边导洞初支两侧壁上布置注浆孔，单侧侧壁需布置三排孔位，水平径向注浆。注浆孔左右间距为0.5 m，上下间距为0.8 m，最下排注浆孔距小导洞底板初支1 m。注浆孔位布置如图5所示。

图4 深孔注浆示意Fig.4 Deep borehole grouting schematic

图5 升注浆孔位布置纵剖面Fig.5 Longitudinal section of grouting hole position

为了保证抬升注浆时浆液不会四处放散，更好地达到抬升效果，需在抬升的范围内形成止浆墙(1 m厚)，将所需抬升的空间形成一个封闭的空间。止浆墙如图6所示。

2.3 丝杠支顶

采用千斤顶控制既有结构变形是现阶段常用的工程措施。但是在扣拱前，千斤顶会撤出，由于导洞间土体的开挖以及千斤顶的撤除，导致既有结构大部分区域悬空，引起较大的变形。同时，扣拱时浇筑的混凝土在硬化过程会出现收缩现象，新建结构顶部与既有结构底部会产生间隙，引起既有结构沉降。

通过设置丝杠支顶，丝杠不拆除，随混凝土一起浇筑，即使混凝土出现收缩现象，丝杠仍然可以起到支撑既有结构的作用。

图6 止浆墙横剖面Fig.6 Cross section of preventing-grout wall

具体施工工艺如下。

(1)待边桩钢筋笼绑扎及钢管柱安装完成后，安装丝杆底部预埋件，浇筑混凝土。预埋件采用200 mm×200 mm×10 mm，钢板底部焊接9根480 mm长C16钢筋作为锚筋，钢筋间距60 mm，距钢板周边边缘40 mm，间距1.6 m。

(2)中导洞设置丝杠时，中柱每柱预埋，在柱间设置400 mm×400 mm×1 000 mm(长×宽×高)支墩，并按边柱同样的方法预埋，间距2 m。

(3)钢板上方设置丝杠，丝杠上方焊接钢板，钢板上焊接工字钢纵梁，通过丝杠调节顶紧既有结构。

2.4 高压回填注浆

虽然采取了丝杠支顶技术，毕竟新建结构顶部与既有结构底板由于混凝土收缩会产生间隙，因此在浇筑顶板的时候预留注浆管，待混凝土硬化后，通过预留的注浆管，采用高压回填注浆，填充间隙，控制既有结构的变形。注浆导管采用φ32，t=2.75 mm焊接钢管，注浆导管布设纵向间距为3.0 m每道。采用水泥浆或水泥砂浆液，注浆压力一般为0.1～0.3 MPa。

3 既有结构变形分析

上文给出了既有结构变形关键控制技术，并初拟了参数。本节采用数值模拟方法，分析以上控制技术对于既有结构变形的影响。

3.1 既有结构变形预测

3.1.1 模型建立

该模型包括土体、既有车站结构、变形缝与导洞衬砌结构。新建车站与既有车站70°斜交，为消除边界效应，既有结构长度为220 m。图3中的41～44导洞衬砌厚度为350 mm，4A～4D导洞衬砌厚度为300 mm。

土体参数如表1所示。既有结构为C30混凝土，容重为25 kN/m3，弹性模量为30 GPa，泊松比为0.2。衬砌结构为C20混凝土，容重为25 kN/m3，弹性模量为15 GPa，泊松比为0.2。

表1 土层参数Table 1 Soils parameters

建立的有限元模型如图7所示，按照实际施工步骤，考虑导洞开挖时深孔注浆，导洞贯通后的丝杠支顶、抬升注浆、扣拱后的高压回填注浆、施作中板以及底板、最终形成地下两层三跨地铁车站过程，得到既有结构变形情况。

3.1.2 计算结果

提取了导洞贯通、丝杠支顶、抬升注浆、扣拱、高压回填注浆、施作中板、施作底板关键步骤的既有结构变形，如图8所示。

由图8可知，导洞施工时采用深孔注浆，待导洞施工完成后既有车站结构最大值为8.79 mm，丝杠支顶对既有车站变形有些许控制作用，但作用有限。随后注浆抬升将既有车站结构抬升，部分位置出现了隆起现象。后续车站主体施工，扣拱施工导致既有车站继续出现向下位移，虽然在3 mm变形要求内，但考虑混凝土硬化过程收缩会产生间隙，并且后续还有主体结构中板施工。通过高压回填收缩注浆对既有车站结构存在一个抬升作用，后续主体施工完成后，既有车站结构最大位移为1.909 mm。由此可见，深孔注浆、抬升注浆与高压回填注浆可使既有结构沉降满足地铁运营3 mm变形要求。

图7 数值模型Fig.7 Numerical model

图8 既有结构位移计算结果Fig.8 Existing structural displacement calculation results

3.2 丝杠参数

新建结构在上层导洞浇筑顶纵梁与顶板混凝土时，大体量的混凝土在硬化过程会出现收缩，既有结构底部与新建结构顶板会出现缝隙。在浇筑前，提前施工丝杠支顶住既有结构。当浇筑的混凝土出现收缩变形时，丝杠可以起到支撑既有结构的作用。

3.2.1 模型建立

丝杠分析采用荷载-结构模型，即模型不在考虑土体与既有结构相互作用，将土体简化为荷载加在既有结构上方。既有车站结构模型建立同3.1节，根据表1地层参数，计算得到土层作用在既有结构上方的竖向荷载，建立三维数值分析模型，如图9所示。丝杠通过工字型钢梁连接为一整体，型钢梁为32a，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。丝杠弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。丝杠与型钢梁材料为Q235钢材，取屈服应力为235 MPa。