吳 萬(wàn) 華

(中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司，天津 300300)

1 概述

近年來(lái)，地鐵憑借節(jié)約土地、運(yùn)量大、效率高、布局城市發(fā)展等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)得到了蓬勃發(fā)展[1,2]。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的日益完善，新建地鐵線路下穿既有線問(wèn)題也隨之增多，進(jìn)而會(huì)對(duì)既有線路的正常運(yùn)行造成不可忽視的影響[3-5]，這也對(duì)新建地鐵隧道的施工技術(shù)提出更為嚴(yán)苛的要求[6]。

以沈陽(yáng)市新建九號(hào)線隧道下穿一號(hào)線(運(yùn)營(yíng)線路)為例，通過(guò)數(shù)值模擬分析明挖及暗挖施工對(duì)既有線車站的影響，驗(yàn)證既有線的施工安全性；制定既有線監(jiān)控量測(cè)方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)掌握和提供地鐵一號(hào)線對(duì)應(yīng)區(qū)域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的變形信息與工作狀態(tài)，指導(dǎo)基坑及下穿安全施工，修正施工參數(shù)或施工工序，保證地鐵一號(hào)線對(duì)應(yīng)區(qū)間運(yùn)營(yíng)安全。

2 工程背景

沈陽(yáng)市鐵西廣場(chǎng)站為九號(hào)線與既有一號(hào)線車站的換乘車站，車站位于建設(shè)中路與興華北街路口的北側(cè)，與一號(hào)線呈T字型。車站東側(cè)為在建華潤(rùn)置地商場(chǎng)，西側(cè)為公安局鐵西分局、中國(guó)工商銀行鐵西支行等，十字路口東南角為鐵西廣場(chǎng)，西南角為第一商城。地鐵一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站基坑深度約為18 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，側(cè)壁重要性系數(shù)取1.1，基坑的變形保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，一號(hào)線施工時(shí)已施工九號(hào)線下穿段主體結(jié)構(gòu)圍護(hù)樁；地鐵九號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站為島式站臺(tái)車站，有效站臺(tái)寬12.9 m，車站起點(diǎn)里程DK5+960.162，終點(diǎn)里程DK6+137.132，主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)176.97 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.0 m。結(jié)構(gòu)形式在小里程端是三層三跨，大里程端是三層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工，換乘節(jié)點(diǎn)下穿段為單層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)，利用一號(hào)線預(yù)留條件采用暗挖法施工。

九號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站分兩部分施工，首先施工地鐵九號(hào)線明挖段，施工完成后，下穿既有地鐵一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站。本工程位于沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站車站主體結(jié)構(gòu)控制范圍內(nèi)，施工區(qū)域明挖段與地鐵一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站南北相接，暗挖段下穿地鐵一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站，對(duì)一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站直接影響里程范圍約為DK9+440.296～DK9+464.296，詳見(jiàn)圖1。

明挖段車站施工基坑結(jié)構(gòu)地下3層，暗挖段下穿既有一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站，開(kāi)挖深度約26 m，對(duì)應(yīng)地鐵一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)車站埋深約17 m，下穿暗挖段與一號(hào)線地鐵車站剖面位置關(guān)系詳見(jiàn)圖2。

3 數(shù)值模擬計(jì)算分析

對(duì)于明挖和暗挖施工階段，采用midas GTS 軟件建立地層結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行三維全過(guò)程數(shù)值模擬分析。模型大小為95 m×77 m×75 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型底面僅約束z方向的豎向位移，左右兩個(gè)側(cè)面(長(zhǎng)度方向)僅約束x方向的水平位移，前后兩個(gè)側(cè)面(寬度方向)僅約束y方向的水平位移，模型圖見(jiàn)圖3。

3.1 明挖施工階段既有線車站變形分析

對(duì)基坑分層開(kāi)挖和拆撐二襯回筑進(jìn)行分步分析。

由圖4可知，明挖階段基坑開(kāi)挖過(guò)程中，靠近明挖基坑側(cè)既有線車站側(cè)墻沉降較大?；娱_(kāi)挖完成后既有線底板最大沉降值為0.29 mm，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值0.68 mm，發(fā)生于頂板處。

由圖5可知，主體端頭二襯結(jié)構(gòu)施工完成既有線底板最大沉降值為0.44 mm，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值0.88 mm。一號(hào)線軌道最大沉降控制值為4 mm，隧道結(jié)構(gòu)水平位移變形控制值為3 mm，明挖階段，既有線沉降及結(jié)構(gòu)最大位移均處于安全范圍之內(nèi)。

3.2 暗挖下穿施工階段既有線車站底板沉降分析

暗挖分析是在基坑開(kāi)挖完成后進(jìn)行分步分析的，包含側(cè)洞開(kāi)挖、中洞開(kāi)挖、鑿除24軸～25軸預(yù)留中間樁、鑿除23軸與26軸處中間樁、鑿除23軸～24軸與25軸～26軸間中間樁、鑿除臨時(shí)混凝土柱。

如圖6所示，暗挖施工導(dǎo)致的車站結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較小，施工完成后側(cè)向位移增大0.08 mm，最大側(cè)向位移值為0.96 mm，位于結(jié)構(gòu)頂板處。

如圖7所示，隨暗挖施工逐步進(jìn)行，既有線底板各點(diǎn)沉降值逐漸增大；鑿除24軸～25軸預(yù)留支撐樁施工步引起的沉降最大，為0.51 mm；暗挖施工完成后，底板沉降最大值為2.38 mm，位于靠近九號(hào)線基坑側(cè)底縱梁下?？紤]降水施工引起的區(qū)域沉降0.4 mm，施工總沉降最大值約為2.78 mm，滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，理論上施工方案可以保證一號(hào)線運(yùn)營(yíng)安全。

4 監(jiān)測(cè)方案

本次變形監(jiān)測(cè)里程范圍約為DK9+402.296～DK9+502.296段，監(jiān)測(cè)區(qū)間長(zhǎng)度約100 m，施工基坑臨近地鐵一號(hào)線車站左、右線直接影響范圍24 m內(nèi)，每5 m布設(shè)一處監(jiān)測(cè)斷面，共布設(shè)5個(gè)斷面，東、西方向各外延40 m，每8 m加設(shè)一處斷面(變形縫兩側(cè)各布設(shè)一個(gè))，共加設(shè)10個(gè)斷面，共布設(shè)15個(gè)斷面，斷面對(duì)應(yīng)里程見(jiàn)表1。監(jiān)測(cè)依據(jù)CJJ—T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[7]，GB 50308—2017城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范[8]。智能型全站儀布設(shè)在約DK9+450處，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)于區(qū)間變形范圍之外的隧道側(cè)壁上，共計(jì) 4個(gè)(每一端2個(gè))，由小里程至大里程依次編號(hào)為JZ1，JZ2，JZ3，JZ4。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的坐標(biāo)系采用相對(duì)獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，平面坐標(biāo)系以里程減小且近似平行于隧道的方向?yàn)閄軸正向，垂直于站一與站二連線的方向?yàn)閅軸方向，取測(cè)站一位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，高程坐標(biāo)系取測(cè)站一儀器旋轉(zhuǎn)軸中心位置為起算零位置，Z軸鉛直向上為正。

表1 監(jiān)測(cè)斷面對(duì)應(yīng)地鐵里程表

車站斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析

根據(jù)施工方案，九號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站施工含以下4個(gè)主要階段：地鐵九號(hào)線本標(biāo)段鐵西廣場(chǎng)站基坑明挖施工；地鐵九號(hào)線鄰標(biāo)段鐵興區(qū)間明挖段施工；下穿既有地鐵一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站導(dǎo)洞開(kāi)挖施工；中洞圍護(hù)樁破除及施工。下面將按以上施工進(jìn)度節(jié)點(diǎn)及變形情況分階段進(jìn)行分析說(shuō)明。

5.1 地鐵九號(hào)線本標(biāo)段鐵西廣場(chǎng)站基坑開(kāi)挖施工期

此期間因基坑土體開(kāi)挖，局部卸載，導(dǎo)致基坑附近地基隆起變形，對(duì)既有一號(hào)地鐵線鐵西地鐵站影響如下：

1)左線變形情況。

如圖9所示，至基坑開(kāi)挖完，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DY(向基坑一側(cè)橫移)累計(jì)值普遍在±1.1 mm以內(nèi)，DY方向最大變形量為1.25 mm(左DM09-4)?？梢哉J(rèn)為，左DM07～左DM0 9號(hào)斷面的側(cè)壁點(diǎn)(4號(hào)點(diǎn))存在約1.1 mm，道床點(diǎn)(2號(hào)、3號(hào)點(diǎn))存在約0.7 mm，偏向基坑側(cè)的水平位移。

如圖10所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DZ隆沉累計(jì)值普遍在±2.80 mm以內(nèi)，DZ方向最大變形量為 2.79 mm(左DM09-2點(diǎn))?？烧J(rèn)為，左DM06～左DM10斷面道床存在約2.5 mm，靠近基坑的結(jié)構(gòu)壁存在約2.0 mm的隆起趨勢(shì)變形，近基坑側(cè)4號(hào)點(diǎn)比遠(yuǎn)基坑側(cè)1號(hào)點(diǎn)隆起量要小約為0.5 mm。

2)右線變形情況。

右線隧道平面位移從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上來(lái)看不存在趨勢(shì)性變化，總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖11所示，右線隧道沉隆位移，在監(jiān)測(cè)區(qū)間中部位置的斷面6～斷面10道床監(jiān)測(cè)點(diǎn)，存在1.7 mm～2.0 mm的隆起趨勢(shì)變形，YCZDM8點(diǎn)隆起最大為2.0 mm，結(jié)構(gòu)壁的變形趨勢(shì)與道床監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本一致，YCZDM10-1點(diǎn)隆起最大為1.7 mm。

5.2 地鐵九號(hào)線鄰標(biāo)鐵興區(qū)間明挖段開(kāi)挖施工完畢

此期間因鄰標(biāo)鐵興區(qū)間明挖段開(kāi)挖，局部卸載，導(dǎo)致地基隆起變形，對(duì)既有一號(hào)地鐵線鐵西地鐵站影響如下：

1)左線變形情況。

如圖12所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DY(橫向位移)累計(jì)值與上一階段相比有減小的趨勢(shì)，4號(hào)點(diǎn)(基坑側(cè)隧道側(cè)壁)位置由上一階段的約1.2 mm減小到約0.6 mm，2號(hào)、3號(hào)點(diǎn)(道床)位置回復(fù)到約0 mm，1號(hào)點(diǎn)(站臺(tái)側(cè))位置，表現(xiàn)為向鄰標(biāo)段基坑方向約-0.3 mm的變形。

如圖13所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DZ隆起累計(jì)值普遍在5.5 mm以內(nèi)，DZ方向最大變形量為5.37 mm(左DM09-2點(diǎn))。可認(rèn)為，左DM08～左DM10斷面道床存在約5.1 mm，靠近本標(biāo)段基坑的結(jié)構(gòu)壁4號(hào)點(diǎn)位置存在約4.5 mm的隆起趨勢(shì)變形。

2)右線變形情況。

如圖14所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DY(橫向位移)累計(jì)值普遍在-2.5 mm以內(nèi)，其中斷面6～斷面10靠近鄰標(biāo)段基坑一側(cè)結(jié)構(gòu)壁存在約-2.2 mm，道床存在約-1.6 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標(biāo)段基坑。

如圖15所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DZ隆起累計(jì)值普遍在4.0 mm以內(nèi)，右DM10-4點(diǎn)(對(duì)應(yīng)里程為DK9+462.296)隆起最大，最大值為3.92 mm，斷面6～斷面10存在約為3.90 mm的隆起位移趨勢(shì)。右線開(kāi)始自動(dòng)化監(jiān)測(cè)之前采用人工監(jiān)測(cè)，道床及結(jié)構(gòu)普遍呈隆起狀態(tài)，最大隆起點(diǎn)(YCZDM8)隆起值2.0 mm，因此右線實(shí)際隆起最大值約5.9 mm。

5.3 下穿既有地鐵一號(hào)線鐵西廣場(chǎng)站導(dǎo)洞開(kāi)挖施工完畢

此期間因本標(biāo)段下穿暗挖段左、右導(dǎo)洞開(kāi)始施工，地鐵一號(hào)線車站6號(hào)、7號(hào)斷面及9號(hào)、10號(hào)斷面正下方開(kāi)挖，導(dǎo)致相應(yīng)出現(xiàn)位置下沉變形。

1)左線變形情況。

如圖16所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DY(橫向位移)累計(jì)值基本與階段2一致。如圖17所示，左線中部隆起值較階段2有所回落，DZ方向最大隆起量為2.48 mm(左DM09-2點(diǎn))，左DM08～左DM10斷面道床存在約1.6 mm左右，靠近本標(biāo)基坑的結(jié)構(gòu)壁存在約0.2 mm左右的隆起變形，中部位置1號(hào)、4號(hào)點(diǎn)的相對(duì)高差由階段2的約-0.8 mm變?yōu)榧s-1.8 mm。

2)右線變形情況。

如圖18所示，右線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DY(橫向位移)變形趨勢(shì)與階段2基本一致，量值略有減小，中部斷面存在約-1.0 mm的水平位移，變形方向指向鄰標(biāo)段基坑。

如圖19所示，右線高程方向表現(xiàn)為隆起回落，右DM08-1點(diǎn)(對(duì)應(yīng)里程為DK9+452.296)最大-2.36 mm，中部斷面7～斷面10道床存在約-0.2 mm～-1.0 mm的沉降，靠近鄰標(biāo)段基坑一側(cè)存在約-2.2 mm的沉降趨勢(shì)。中部位置1號(hào)、4號(hào)點(diǎn)的相對(duì)高差由階段2的約0.8 mm變?yōu)榧s1.9 mm。綜合考慮右線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)前的隆起量，最大沉降DM08斷面處的累計(jì)值應(yīng)在-0.2 mm左右。

5.4 中洞圍護(hù)樁破除及施工完畢

此期間因本工程下穿暗挖段中洞開(kāi)始施工，地鐵一號(hào)線車站斷面7～斷面9正下方開(kāi)挖，且1號(hào)線車站施工時(shí)為九號(hào)線下穿預(yù)設(shè)的兩排支撐樁全部破除，導(dǎo)致8號(hào)及相鄰斷面處出現(xiàn)明顯下沉變形。

1)左線變形情況。

如圖20所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DY(向基坑側(cè)橫移)方向累計(jì)值普遍在-1.7 mm以內(nèi)，其中部斷面存在約-1.6 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標(biāo)段基坑。 如圖21所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DZ(隆沉)方向上，總體上表現(xiàn)為中部沉降，DZ方向最大變形量約為-3.3 m(左DM08-1點(diǎn))。

2)右線變形情況。

如圖22所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DY(橫向位移)累計(jì)值普遍在-2.3 mm以內(nèi)，其中中部斷面存在約-2.2 mm的水平位移，其變形方向指向鄰標(biāo)段基坑。如圖23所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變形量DZ(隆沉)方向上，總體上表現(xiàn)為中部沉降。累計(jì)下沉值普遍在-4.5 mm以內(nèi)，右DM08-4點(diǎn)沉降最大，最大值約為-4.5 mm。綜合考慮人工與自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)成果，最大沉降DM08斷面處的累計(jì)值約為-2.6 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬分析明挖及暗挖施工對(duì)既有線車站的影響，驗(yàn)證既有線的施工安全性，制定既有線監(jiān)控量測(cè)方案，結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)掌握和提供地鐵一號(hào)線對(duì)應(yīng)區(qū)域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的狀態(tài)信息，及時(shí)指導(dǎo)施工，確保了工程安全，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)起到了重要的地鐵保護(hù)與安全保障的作用。

1)通過(guò)三維數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該施工方案對(duì)既有線沉降及結(jié)構(gòu)最大位移的影響均處于安全范圍之內(nèi)。

2)在整個(gè)監(jiān)測(cè)期，系統(tǒng)運(yùn)行正常，儀器設(shè)備狀態(tài)良好，監(jiān)測(cè)成果準(zhǔn)確可靠，反映了既有線車站地鐵隧道在各施工階段的變形情況。

3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，工后1個(gè)月基本無(wú)趨勢(shì)性變化，可以認(rèn)為一號(hào)線鐵西車站呈穩(wěn)定狀態(tài)。

4)鑒于在九號(hào)線施工過(guò)程中，特別是中洞破樁施工后，斷面6～斷面10出現(xiàn)先隆起、后沉降的現(xiàn)象，已形成了沉降槽，斷面最大沉降處于安全范圍之內(nèi)。為確保地鐵運(yùn)營(yíng)的安全，需要重視對(duì)變形區(qū)域的軌道平順性的檢測(cè)。

5)本文以數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相結(jié)合的模式指導(dǎo)施工的安全進(jìn)行，該模式對(duì)地鐵隧道的建設(shè)具有借鑒意義。