岳長(zhǎng)城

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

0 引言

隨著北京市城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，北京市城市軌道交通已由平面線狀向立體網(wǎng)狀發(fā)展，既有線路附近修建新的地鐵車站及換乘通道區(qū)間等工況層出不窮。新建地下暗挖售票廳及換乘通道區(qū)間對(duì)既有線路的穩(wěn)定性影響亟待深入研究，因此針對(duì)此種特殊工況，開(kāi)展相應(yīng)的施工技術(shù)研究對(duì)我國(guó)城市軌道交通的建設(shè)與發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

采用數(shù)值模擬方法分析既定的施工方案下地下暗挖工程對(duì)既有線路的影響，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，判斷施工方案的合理性，是有效便捷且經(jīng)濟(jì)的研究方法[1-7]。本文以北京地鐵4號(hào)線宣武門(mén)站西南象限增設(shè)暗挖售票廳鄰近4號(hào)線西南出入口為工程依托，對(duì)工程背景、水文及工程地質(zhì)條件、工程風(fēng)險(xiǎn)和施工方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并利用Phase2有限元軟件對(duì)既定施工方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了施工方案的可行性，對(duì)類似工程的施工具有一定參考意義。

1 工程概況

北京地鐵宣武門(mén)站位于北京市二環(huán)以內(nèi)的中心老城區(qū)，宣武門(mén)東、西大街與宣武門(mén)內(nèi)、外大街的交叉路口處，宣武門(mén)站是4號(hào)線與2號(hào)線的換乘車站，兩個(gè)車站呈“十”字形相交，4號(hào)線下穿2號(hào)線。在西北、東北、西南象限新建3條換乘通道，同時(shí)在4個(gè)象限增設(shè)地下售檢票廳，如圖1所示。

圖1 地鐵宣武門(mén)站概況

2 工程地質(zhì)及水文條件

擬建工程位于永定河沖洪積扇的中上部，地貌上處于古金溝河古河道與古漯河古河道交叉部位，根據(jù)場(chǎng)地實(shí)測(cè)地面高程數(shù)據(jù)，場(chǎng)地地形總體基本平坦，勘察鉆孔地面標(biāo)高在43.930～45.400m，場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的地層自上而下可劃分為人工填土層、第四紀(jì)沖洪積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層，特殊性巖土主要為填土層，無(wú)濕陷性黃土、膨脹土及殘積土等特殊性巖土分布，擬建場(chǎng)地不存在影響場(chǎng)地整體穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，基本適宜本工程建設(shè)。

擬建場(chǎng)地在勘察鉆探深度30m范圍內(nèi)實(shí)測(cè)到3層地下水：①上層滯水穩(wěn)定水位埋深為3m，穩(wěn)定水位標(biāo)高43.930m，含水層主要為黏質(zhì)粉土填土層與雜填土層，隨季節(jié)、大氣降水及地表水的補(bǔ)給變化而變化；②潛水層穩(wěn)定水位埋深為16.000～17.500m，穩(wěn)定水位標(biāo)高29.430～31.610m，含水層主要為細(xì)中砂層，潛水的動(dòng)態(tài)與大氣降水關(guān)系密切；③層間水穩(wěn)定水位標(biāo)高24.410m，含水層主要為卵石圓礫層，層間水的動(dòng)態(tài)主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流的方式排泄，層間水的動(dòng)態(tài)比潛水稍有滯后，當(dāng)年最高水位出現(xiàn)在9—11月，最低水位出現(xiàn)在6—7月，年變幅為1～2m。各層地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋結(jié)構(gòu)的腐蝕性均微。

3 西南地下暗挖廳施工風(fēng)險(xiǎn)與施工方案

3.1 施工風(fēng)險(xiǎn)

西南象限設(shè)置1座售檢票廳及施作連接既有2號(hào)線及4號(hào)線的換乘通道，由于受場(chǎng)地限制，且場(chǎng)地內(nèi)地下管線較為密集，而部分管線改移可行性又較小，故考慮采用暗挖法施工，同時(shí)設(shè)置1座施工豎井及橫通道。暗挖廳為單層雙跨拱頂直墻斷面結(jié)構(gòu)，采用中洞法施工，結(jié)構(gòu)開(kāi)挖跨度14.9m，開(kāi)挖高度7.3m，結(jié)構(gòu)初期支護(hù)與4號(hào)線西南口的水平凈距約1.8m，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)，其位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 西南新增暗挖廳與既有4號(hào)線車站平面位置關(guān)系

3.2 總體施工方案

為確保既有4號(hào)線的安全運(yùn)營(yíng)和地下暗挖廳的順利施工，根據(jù)西南象限暗挖售票廳與既有4號(hào)線西南出入口的位置關(guān)系，暗挖廳施工方案設(shè)計(jì)采用中洞法施工，并對(duì)拱部及側(cè)壁初支外側(cè)1.5m、內(nèi)側(cè)0.5m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行深孔注漿加固，同時(shí)確保開(kāi)挖支護(hù)剛度，控制開(kāi)挖步距0.5m，暗挖施工嚴(yán)格按設(shè)計(jì)執(zhí)行開(kāi)挖留核心土、超前小導(dǎo)管超前支護(hù)、打設(shè)鎖腳錨管、設(shè)置臨時(shí)仰拱、及時(shí)回填注漿等輔助工法，并在施工期間進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，反饋現(xiàn)場(chǎng)施工及設(shè)計(jì)。

4 西南地下暗挖廳施工工藝

西南地下暗挖廳為單層雙跨拱頂直墻斷面結(jié)構(gòu)，采用中洞法[8-10]施工，結(jié)構(gòu)開(kāi)挖跨度14.9m，開(kāi)挖高度7.3m，暗挖地下廳具體施工步驟如下。

4.1 導(dǎo)洞開(kāi)挖

暗挖售檢票廳施工時(shí)斷面分6個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖，采取先中導(dǎo)洞再邊導(dǎo)洞、先上部導(dǎo)洞再下部導(dǎo)洞的開(kāi)挖順序，導(dǎo)洞間保持1.5倍洞徑步距。各導(dǎo)洞采用臺(tái)階法開(kāi)挖，先上斷面再下斷面，相互錯(cuò)開(kāi)≥5m，滿足步距后同時(shí)并進(jìn)開(kāi)挖。導(dǎo)洞開(kāi)挖施工工序?yàn)椋盒?dǎo)管注漿→格柵加工、土方開(kāi)挖→格柵安裝、網(wǎng)片安裝(縱向連接筋焊接及鎖腳錨桿)→噴射混凝土。

4.2 底縱梁施工

導(dǎo)洞開(kāi)挖完成封端后處理基面，施作防水并鋪設(shè)防水保護(hù)層，底縱梁鋼筋安裝時(shí)需要預(yù)留底板的鋼筋接駁器，同時(shí)預(yù)留中柱鋼筋，保護(hù)好導(dǎo)洞側(cè)墻預(yù)留的防水板，底縱梁高2.4m，鋼筋較密，澆筑混凝土?xí)r加強(qiáng)振搗，確?；炷撩軐?shí)。

4.3 構(gòu)造柱施工并施作頂縱梁

售檢票廳中柱施工時(shí)需要搭設(shè)滿堂腳手架保證中柱的垂直度與位置準(zhǔn)確，同時(shí)為后期頂縱梁施工提供平臺(tái)。構(gòu)造柱柱模板兩側(cè)加固需滿足要求，以承受節(jié)點(diǎn)彎矩。中柱施工完畢，強(qiáng)度足夠后進(jìn)行頂縱梁施工。頂縱梁施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備(中柱完成、腳手架地基平整)→底模腳手架搭設(shè)→內(nèi)外楞方木鋪設(shè)→底面鋼模板鋪裝→頂縱梁鋼筋綁扎(需注意防水及防水板保護(hù))→拱部鋼筋綁扎、預(yù)留→拱部鋼筋頭保護(hù)→側(cè)面弧形模架安裝加固→澆筑混凝土。

1)基層處理

梁底腳手架安裝之前，鋪墊厚度≥50mm的腳手板，腳手板的鋪墊長(zhǎng)度不得小于立桿的兩跨。

2)梁下鋼管腳手架支撐

腳手架必須從下導(dǎo)洞底縱梁頂面開(kāi)始搭設(shè)至上導(dǎo)洞臨時(shí)仰拱，加固牢固后再搭設(shè)至頂縱梁底面。腳手架采用φ48mm鋼管，立桿橫向間距為400mm、縱向間距為600mm、步距為600mm，最上層橫桿距離最下層方木距離為246mm，下層掃地桿距離地面高度為200mm。梁底內(nèi)楞和外楞均采用100mm×100mm方木，下層方木橫向布置，縱向間距為750mm；上層方木縱向布置，橫向間距為300mm。梁底腳手架支撐橫剖面如圖3所示。

圖3 頂縱梁下鋼管支撐橫剖面

3)底模配置

梁底采用6015鋼模板，靠近中柱位置采用2張9015鋼模板，并定做成柱形，與中柱柱帽形成完整的拼裝。梁底鋼模板之間采用φ12螺栓連接，鋼模板總厚度為55mm，成型之后，尺寸誤差≤1mm，平整度≤1mm。底模方形模板定做時(shí)，預(yù)留3mm空隙，拼裝時(shí)采用密封膠條密封縫隙，在靠近中柱位置，應(yīng)增加下層斜向放置的方木，確保異形模板不懸挑。

4)側(cè)面模板及支撐

頂縱梁側(cè)面為弧形結(jié)構(gòu)，根據(jù)頂縱梁的結(jié)構(gòu)形式，側(cè)面采用I18定做模架，縱向間距750mm，橫向下端固定在梁底的橫向方木上，上端靠近中洞初支墻面并用墊塊墊平。采用3道φ22縱向連接鋼筋與鋼模架焊接，間距約為500mm。采用6015弧形鋼模板，每側(cè)各設(shè)置3塊模板(1塊轉(zhuǎn)角模板、2塊6015模板)，側(cè)面模板與底模采用φ12螺栓連接?；⌒文＜芟路街尾捎秒p排鋼管腳手架，搭設(shè)規(guī)格為600mm×750mm×600mm，腳手架最外側(cè)距離中洞側(cè)墻150mm。由于外側(cè)立桿自由端長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在外側(cè)立桿上部設(shè)置縱向通長(zhǎng)鋼管，控制自由端長(zhǎng)度在400mm以內(nèi)。

5)頂縱梁混凝土澆筑

頂縱梁采用HBT60混凝土輸送泵，采用商品混凝土澆筑，地泵置于豎井口地面，泵管從豎井口進(jìn)入橫通道，再接至縱梁施工作業(yè)面，泵管設(shè)置在頂縱梁鋼筋上方，沿頂梁縱向鋪設(shè)，依靠泵送混凝土的壓力進(jìn)行灌注，每隔6m左右拆除1次泵管。

混凝土澆筑前檢查回填注漿管位置并進(jìn)行加固，注漿管采用φ32鋼管，間距≤5m；澆筑時(shí)加強(qiáng)對(duì)梁頂防水板的保護(hù)，不得破壞；在頂縱梁達(dá)到100%強(qiáng)度要求后方可拆除底模及支撐。

4.4 開(kāi)挖邊導(dǎo)洞

頂縱梁強(qiáng)度滿足要求后開(kāi)始邊導(dǎo)洞開(kāi)挖，邊導(dǎo)洞開(kāi)挖前需注漿加固開(kāi)挖面拱部土體。先施工南側(cè)邊導(dǎo)洞，后施工北側(cè)邊導(dǎo)洞，兩側(cè)導(dǎo)洞施工間距錯(cuò)開(kāi)至少20m。由于中導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中預(yù)埋了扣拱預(yù)埋鋼板(鋼筋)，因此必須嚴(yán)格控制邊導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞的格柵架設(shè)步距，確保3個(gè)導(dǎo)洞扣拱預(yù)埋鋼板(鋼筋)連接點(diǎn)在同一里程面。為確保格柵安裝效率，開(kāi)挖土體高度不宜過(guò)高，2m左右為宜。施工中預(yù)留初支背后注漿管，進(jìn)行初支背后注漿。

4.5 施工邊導(dǎo)洞二次襯砌結(jié)構(gòu)

邊導(dǎo)洞開(kāi)挖完成且初支混凝土強(qiáng)度足夠時(shí)，進(jìn)行邊導(dǎo)洞二次襯砌結(jié)構(gòu)施工。底板厚度為700mm，為減少混凝土伸縮裂縫及保障初期支護(hù)體系的安全，每次澆筑長(zhǎng)度4～6m，并通過(guò)科學(xué)調(diào)整混凝土的配合比，摻加多功能膨脹型防水劑與粉煤灰，有效降低混凝土的水化熱，同時(shí)輔以有效的澆筑和養(yǎng)護(hù)方法，從而達(dá)到控制混凝土溫差收縮裂縫的效果。

側(cè)墻完成澆筑且混凝土強(qiáng)度滿足要求后可施作頂板二次襯砌，二次襯砌施工前首先需破除中導(dǎo)洞隔墻，嚴(yán)格按相關(guān)要求處理好接茬部位的防水保護(hù)、基面處理等工作，避免后期滲漏水。

施工邊跨拱部二次襯砌時(shí)為防止混凝土灌注對(duì)頂縱梁形成偏壓，灌注口設(shè)在拱部，端頭堵頭板埋設(shè)回填注漿管兼作排氣管，采用高性能抗振商品混凝土，對(duì)稱澆筑以免偏壓。

4.6 無(wú)障礙出入口通道破除

暗挖廳邊導(dǎo)洞施工前，無(wú)障礙出入口停運(yùn)，并做好和出入口接口處的封堵隔離，采用240mm磚砌隔離墻并進(jìn)行抹面處理，通道內(nèi)搭設(shè)滿堂腳手架。

邊導(dǎo)洞上層導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后開(kāi)挖下層導(dǎo)洞，通道結(jié)構(gòu)隨開(kāi)挖逐榀破除，并逐榀拆除滿堂腳手架，直至開(kāi)挖完成封端。開(kāi)挖完成后施作二次襯砌結(jié)構(gòu)。

5 地下暗挖廳對(duì)既有鄰近線路的影響

5.1 數(shù)值模型建立

為了全面分析和把握地下暗挖廳開(kāi)挖對(duì)既有4號(hào)線西南出入口的影響情況，采用Phase2有限元軟件，以暗挖廳與4號(hào)線西南出入口2個(gè)橫斷面為研究對(duì)象，建立二維模型并對(duì)地層進(jìn)行簡(jiǎn)化，將地層自上而下劃分為5層。模型建立的基本原則為地下暗挖廳的開(kāi)挖與支護(hù)均不會(huì)涉及模型邊界，將暗挖廳開(kāi)挖視為小孔應(yīng)力集中問(wèn)題，計(jì)算區(qū)域的邊界x方向取暗挖廳跨度的4倍，y方向邊界取暗挖廳開(kāi)挖深度的5倍[11]，即模型尺寸定為60m(x方向)×35m(y方向)。模型的邊界條件為：側(cè)面和地面均為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，地面限制垂直位移，上邊界為自由邊界，如圖4所示。

圖4 暗挖廳計(jì)算模型示意

5.2 材料參數(shù)選取與模型計(jì)算說(shuō)明

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告確定各地層的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示，暗挖廳開(kāi)挖初期支護(hù)采用C30混凝土，二次襯砌采用C40混凝土，中柱結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，拱頂外側(cè)1.5m范圍內(nèi)采用C25噴射混凝土，并進(jìn)行深孔注漿。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

模型計(jì)算采用莫爾-庫(kù)侖倫準(zhǔn)則，地層和材料的應(yīng)力、應(yīng)變均在彈塑性變形范圍內(nèi)，模型只受重力場(chǎng)作用，自動(dòng)生成地應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算時(shí)采用程序提供的荷載拆分功能將土體開(kāi)挖時(shí)造成的應(yīng)力釋放分配到各階段。

5.3 地表沉降

橫斷面的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)采取暗挖廳拱頂中心向兩側(cè)對(duì)稱布置的方法，取拱頂中心兩側(cè)各17.5m作為監(jiān)測(cè)控制范圍，各測(cè)點(diǎn)間隔2.5m，共計(jì)15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地表位移實(shí)測(cè)，同時(shí)利用Phase2計(jì)算整個(gè)模型的位移場(chǎng)，地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量的實(shí)際監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值如圖5所示。

圖5 地表沉降量監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由圖5可知，根據(jù)計(jì)算值繪制的位移曲線基本呈正態(tài)分布，符合經(jīng)典沉降槽理論，計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值的大小及分布規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性和準(zhǔn)確性。

由于鄰近暗挖廳的4號(hào)線西南出入口的存在，地表沉降量最大值點(diǎn)并非在暗挖廳拱頂中心位置處，最大位移點(diǎn)位于地下暗挖售廳拱頂中心向右約5m處，同時(shí)最大位移值約為15mm，符合工程設(shè)計(jì)初期既定的結(jié)構(gòu)最大沉降<20mm的要求，同時(shí)暗挖廳拱頂中心與既有4號(hào)線西南出入口中心的沉降量差異值約為3mm，符合工程設(shè)計(jì)要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)有效改善了土體變形，確保了暗挖廳工程施工期間既有4號(hào)線的安全運(yùn)營(yíng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以北京地鐵4號(hào)線宣武門(mén)站西南象限新設(shè)地下暗挖售檢票廳緊鄰4號(hào)線西南出入口的特殊工況為背景，結(jié)合暗挖廳與既有4號(hào)線西南出入口的位置關(guān)系和工程地質(zhì)水文條件，詳細(xì)介紹了暗挖廳的施工工藝和支護(hù)措施，利用Phase2有限元軟件對(duì)暗挖廳橫斷面的全開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析了地表沉降的監(jiān)測(cè)值與模擬計(jì)算值，得出以下結(jié)論。

1)暗挖廳與既有4號(hào)線西南出入口的垂直間距僅1.8m，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，相互影響較大，本項(xiàng)目在施工前對(duì)既有4號(hào)線西南出入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分調(diào)查、檢測(cè)和評(píng)估后，選用中洞法施工技術(shù)，并對(duì)拱部及側(cè)壁初支輪廓線外側(cè)1.5m、內(nèi)側(cè)0.5m范圍土體進(jìn)行深孔細(xì)導(dǎo)管注漿加固，確保了工程順利實(shí)施并保障了既有線路的安全運(yùn)營(yíng)。

2)地表沉降的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性；地表最大沉降量以及暗挖廳與4號(hào)線西南出入口的差異沉降量均符合工程設(shè)計(jì)要求。

3)監(jiān)測(cè)反饋結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果均表明，最大沉降點(diǎn)位置不在暗挖廳拱頂中心，而在拱頂中心向右約5m位置處，遂決定在地下廳靠4號(hào)線西南出入口一側(cè)深孔注漿，對(duì)土體進(jìn)行加固。故在工程實(shí)施中，應(yīng)堅(jiān)持動(dòng)態(tài)施工先進(jìn)理念，將位移監(jiān)測(cè)貫穿到整個(gè)施工過(guò)程中，及時(shí)布置測(cè)點(diǎn)，并在初支施工過(guò)程中加密監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。