陆海锋

(中铁上海工程局集团有限公司,上海 201906)

随着我国城市轨道交通建设的飞速发展,城市兴建地铁不可避免地邻近各类民建、市政、铁路结构,其中市政桥梁邻近地铁在工程建设中非常普遍[1-2]。地铁隧道常用的施工方法有明挖法、盾构法和矿山法等,其中矿山法工序转换多,施工风险高,对邻近的建(构)筑物的影响大,尤其是暗挖隧道邻近既有地铁结构尤其是地铁高架结构时,既有地铁变形控制要求高,因此需要对暗挖施工采取严格的控制措施,保护既有地铁安全。新建地铁隧道邻近既有地铁高架区间的研究主要有:李志佳等[3]对暗挖大断面隧道穿越既有地铁高架区间的风险控制进行了研究,推荐选取加固既有结构、深孔注浆止水等措施来确保既有结构安全;杜佳鹏等[4]对地铁站后折返线暗挖大断面隧道下穿既有地铁高架桥影响进行了分析,认为超前加固和洞内支撑相结合的措施对于保证既有高架结构安全有利;唐汐[5]对比分析了不加固、仅洞外加固、洞外加固+桥桩底部加固3种工况下地铁高架区间结构竖向位移、水平位移、差异沉降变化特征,并比较了实测和计算结果,研究认为穿越施工显著影响范围约为4倍暗挖地铁隧道跨度、后施工隧道两侧承台差异沉降大于先施工隧道两侧承台差异沉降。此外,乔国刚[6]、郄向光[7]等对大断面暗挖隧道近距离穿越运营地铁高架桥桩基施工技术进行了研究,认为在注浆加固和合理工序转化的前提下既有高架桥结构安全可以得到保证。

综上所述,目前对暗挖地铁隧道下穿既有地铁高架区间的研究较少,因此,本次开展暗挖地铁车站及区间邻近地铁高架区间相关工作,对于丰富此类问题的研究具有重要意义[8]。

1 工程概况

1.1 大钟寺站及大蓟区间概况

北京地铁12号线大钟寺站为地下双层岛式车站,车站总长282 m,标准段宽度23.7 m,车站顶板覆土15 m～18 m。车站采用暗挖PBA工法,施工风道、出入口通道及换乘通道采用CRD和双侧壁导坑法施工。车站设置3个出入口、3个安全出入口、4组风亭、3个无障碍电梯、1个换乘通道和1个新建换乘厅。车站为双柱三跨拱形断面,采用PBA工法施工,具体断面布置如图1所示。

大钟寺站—蓟门桥站区间左线、右线长度均为835.10 m(其中左线含长链0.549 m、短链0.684 m),线间距15 m～17.2 m。区间线路纵断出大钟寺站后以2‰的纵坡向下然后3‰向上,最后以5.645‰纵坡向下进入蓟门桥站,区间埋深25.4 m～32.6 m。区间为单线单洞断面形式,标准段采用台阶法施工,人防段采用CRD法施工。具体断面布置如图2所示。区间施工采用台阶法,台阶法将隧道分为两部分开挖,开挖顺序为:在超前小导管预注浆加固地层施工完毕后,先开挖上台阶,开挖进尺为一榀格栅间距,及时进行初期支护,上台阶进尺5 m后,然后进行下台阶的初期支护开挖。上下台阶错开长度保持在3 m～5 m。

1.2 既有地铁13号线高架区间概况

北京地铁13号线高架桥为一次性浇筑的7跨连续混凝土板梁,南端与大钟寺车站相接,北端与区间路基相接。桥体由基础桩及承台、桥台、桥墩、梁板及桥面组成,桥宽10.6 m,桥墩为倒梯型板式墩,最大跨度2号—3号墩(18.130 m),最小跨度6号—7号墩(10.030 m)。承台高度为2.0 m,墩台基桩桩长26 m～29.5 m,采用旋挖钻孔灌注桩,1号墩台基桩桩径1.5 m,其余墩台基桩桩径1.0 m。12号线大蓟区间右线在2号、3号墩间下穿,左线在3号、4号墩间下穿。

1.3 12号线与13号线位置关系

大钟寺车站大里程端头临近地铁13号线,与地铁13号线区间高架桥的最小净距为17.2 m。大蓟区间左右线横穿既有13号线高架下部结构基础,处于2号、3号、4号桩基中间,区间左线线路中心距2号桩基距离为6 570 mm,距3号桩基中心距离为8 483 mm,区间右线线路中心距3号桩基距离为5 697 mm,距4号桩基中心距离为5 952 mm,见图3。

2 工程风险分析

北京地铁12号线大钟寺站临近地铁13号线、大钟寺站—蓟门桥站区间线路下穿既有地铁13号线。施工会影响既有地铁13号线的下部结构;施工过程中如果不注意控制,会导致既有线路的下部结构产生不均匀沉降,对桥梁结构可能造成的损伤有以下几个方面:

1)桥梁上部结构为连续现浇梁,基础纵向不均匀沉降会破坏桥面板及桥梁伸缩装置,影响桥梁的使用功能,引发行车不平顺、桥头跳车等现象;同时还会改变桥面纵坡,对行车舒适度及桥面排水造成不利影响。基础横向不均匀变形过大则会对桥梁横向联系产生危害,影响主梁间的共同受力。

2)基础不均匀沉降会使主梁梁体出现偏移或扰度过大等情况,使主梁的内力和变形都发生改变,并加速梁体混凝土裂缝产生的速度,直接影响到桥梁主体的安全稳定性,情况严重的还会导致桥梁整体垮塌。

3)基础不均匀沉降会使上部结构和下部结构连接支座处的梁底产生过大的拉力或压力,使梁底支座和主梁都发生破坏。

4)桥台倾斜变位,支座脱空,梁体变位会引起桥面铺装变形,伸缩缝错起,栏杆位移,对行车带来影响。

5)对桥下道路影响。路面沉降过大将影响桥下行车的舒适性及路面排水效果。

3 关键施工技术

车站上层导洞、下层导洞、初支扣拱、活塞风井、活塞风道、区间等施工对13号线高架区间存在影响,各项施工除针对性保护措施外,一般的保护措施包括对既有线高架桥进行现状调查、检测、评估,确定合理的变形控制指标;加强暗挖关键工序控制,严格控制地层沉降;施工过程中加强监测,做到信息化施工;加强初支背后注浆和二衬背后注浆,根据监测结果进行多次补注浆,严格控制注浆压力和注浆量,保证注浆效果。

3.1 导洞施工

车站上层小导洞和端部横向导洞均采用台阶法施工,上层小导洞开挖尺寸为4.5 m×5 m,端部横向导洞开挖尺寸为3.7 m×3 m,初支厚度均为0.25 m。车站下层小导洞和端部横向导洞均采用台阶法施工,下层小导洞开挖尺寸分别为4.5 m×5 m和4.5 m×5.25 m,端部横向导洞开挖尺寸为3.7 m×1.85 m,初支厚度均为0.25 m。

上层、下层小导洞端墙封堵与既有线高架桥桩净距为17.682 m～22.7 m。横向导洞与既有线高架桥桩净距为17.682 m～20.581 m。车站小导洞采取加固措施,加固布置如图4所示。采用深孔注浆超前加固上层小导洞拱顶及拱顶掌子面以及导洞封端、横向导洞拱顶侧壁;采用深孔注浆超前加固下层小导洞拱顶,导洞封端,横向导洞拱顶。纵向加固范围10 m,注浆范围小导洞外1.5 m、内0.5 m。

超前支护采用DN32×2.75,L=2 m小导管(隔榀设置)对小导洞拱部地层超前注浆预加固(下层导洞卵石层采用DN25×2.75,L=2 m,每榀打设),小导管环向间距300 mm,纵向每榀格栅打设,外插角度10°～15°设置。深孔注浆处取消超前小导管支护。小导洞施工顺序如图5所示,图5中1代表超前小导管加固并预注浆;2代表拱部环形开挖预留核心土;3代表初期支护:初喷5 cm混凝土,架设格栅钢架,拱脚处打设2根锁脚锚杆,挂网,喷混凝土;4代表核心土开挖;5代表下部土体开挖;6代表初期支护:接边墙、仰拱格栅钢架并挂网、喷混凝土封闭成环。

3.2 初支扣拱施工

车站边桩与桥桩最小净距18.5 m(与端墙19.55 m),初支扣拱前采取加固措施,加固布置如图6所示。具体措施包括:1)采用深孔注浆超前加固上层大拱拱顶及封端墙;扣拱的深孔注浆纵向加固范围10 m。注浆范围大拱初支外2 m,内0.5 m。2)端墙围护桩加密1.35 m,控制结构变形。

大钟寺站主体为两层三跨三联拱结构,扣拱分中跨扣拱和边跨扣拱,采用台阶法开挖保留核心土(见图7),超前支护采取深孔注浆加固或DN32×2.75 mm超前小导管加固地层,再进行初支扣拱马头门开挖,在马头门连立三榀初支扣拱格栅钢架,被截断横通道格栅钢架与初支扣拱格栅钢架应进行有效焊接。边导扣拱跨度3.3 m,中跨扣拱跨度为2.5 m。先中跨施工,再两侧边跨同步施工,相邻导洞内初支扣拱施工距离错开不小于15 m。

3.3 活塞风井、风道施工

2号活塞风井尺寸为10.3 m×5.8 m×30.14 m,开挖深度约38 m～39 m,采用倒挂井壁法施工,支护采用钢筋网+注浆锚管+格栅钢架(间距400 mm～750 mm)+喷射混凝土。2号活塞风道开挖尺寸8.7 m×9.8 m,采用CRD工法施工,开挖顺序如图8(a)所示,1号洞室超前2号洞室5 m,2号洞室超前3号洞室10 m,3号洞室超前4号洞室5 m,4号洞室超前5号洞室10 m,5号洞室超前6号洞室5 m。2号活塞风井、风道施工时打设小导管注浆加固。此外,2号活塞风道采用深孔注浆超前加固风道拱顶、侧壁及拱顶掌子面(见图8(b)),加固范围为初支外2 m内0.5 m。

3.4 区间隧道施工

暗挖区间下穿13号线的保护措施如图9所示。1)对隧道轮廓线外2 m内0.5 m以及掌子面全断面范围内进行洞内深孔注浆,注浆范围为桥桩前后各10 m,共22 m。注浆加固土体时应结合监测反馈,及时调整注浆压力。2)采用台阶法+临时仰拱施工,减少开挖面高度,严格控制地层沉降,临时仰拱里程同深孔注浆里程。3)区间施工至距离大钟寺站端头5 m时,应停止施工,并及时封闭掌子面,掌子面封闭同永久封底或封堵。待大钟寺站初支扣拱完成后,贯通隧道左右线。4)施工中采取降水措施,保证无水施工。

区间隧道下穿13号线时超前支护措施采用DN25×2.75,L=2 m小导管(每榀设置)对小导洞拱部地层超前注浆预加固,小导管环向间距300 mm,纵向每榀格栅打设,外插角度10°～15°设置。如图10所示,超前小导管预注浆加固地层施工完毕后,先开挖上台阶,开挖进尺为一榀格栅间距,及时进行初期支护+临时仰拱,上台阶开挖至10 m～15 m后进行下台阶的初期支护开挖。上下台阶错开长度保持在10 m～15 m,开挖后及时进行封闭。

4 现场监测结果

为保证13号线高架区间安全,在大钟寺站邻近和大蓟区间下穿施工时,对暗挖隧道拱顶沉降和净空收敛以及13号线高架结构道床沉降、轨道沉降、轨道几何行位轨距、轨道几何行位水平、轨道水平位移、静力水准、桥桩沉降进行监测,现场监测结果如图11,图12所示,各类监测结果最大值列于表1中。

表1 现场监测结果

地铁隧道的位移控制值均为10 mm,13号线高架区间和竖向位移和水平位移控制值分别为3 mm和2 mm,从位移监测结果来看,各项位移指标均小于控制值,结构处于安全状态。

5 结语

依托北京地铁12号线大钟寺站及大钟寺站—蓟门桥站区间隧道下穿13号线高架区间,阐述车站邻近和区间下穿施工时13号线高架区间综合保护措施,对复杂环境条件下导洞施工、初支扣拱、深孔注浆、超前支护等关键技术环节进行分析,明确其设计施工中的技术要点,并对施工监测数据进行分析,得出结论如下:

1)暗挖车站及区间施工影响较大,因此需要采取综合控制措施,同时加强暗挖施工自身控制和监测,确保既有高架结构及地铁运营安全。

2)从现场监测结果来看,暗挖地铁隧道下穿施工是既有地铁高架结构施工控制的关键阶段,同时要注意先施工、后施工隧道的影响差异引起的高架结构不均匀沉降。

新建暗挖车站及区间隧道邻近既有地铁高架结构工程案例较少,经验不足,目前研究仅依靠零星工程案例,并未形成系统性的研究手段。建议今后应考虑地质条件、位置关系、施工步序等因素优化穿越保护方案及措施,达到降低造价、控制安全的目的。