随着我国城市轨道交通的快速发展, 新规划地铁线路必然会遇到穿越原有运营线路的问题。原有隧道通常埋深较浅, 对后期规划线路未预留足够的穿越条件, 因此新建地铁车站近距离甚至零距离下穿既有隧道的问题越来越突出, 增加了施工的难度和穿越风险。

洞桩法施工灵活, 可应用多种沉降控制技术, 适用多种车站结构形式。洞桩法的柱、梁、拱支撑体系能较好控制既有隧道沉降, 配合密贴性好的平顶直墙隧道结构形式, 越来越多应用于未预留足够下穿条件的工程。本文通过数值计算和实地监测的方法, 研究了不同洞桩法施工方案及既有隧道的变形规律, 并通过实测验证。

新建车站呈南北走向, 既有隧道呈东西走向, 两隧道近似垂直交叉。既有隧道为矩形框架结构, C30混凝土浇筑而成。隧道覆土4.9m, 明挖法施工。两变形缝之间的隧道结构长×宽×高=35.1m×10.15m×7.6m;侧墙和顶板厚度0.6m, 底板厚度0.7m。隧道内轨道为碎石道床, 道床与底板之间为0.76m的C20素混凝土垫层。新旧隧道位置关系如图1所示。

新建车站长178.6m, 宽21.7m, 主要位于为粉质黏土和黏土层之间, 分为南段、北段和下穿段施工, 南、北段为明挖3层3跨结构, 下穿段为双层3跨结构。下穿段长22.05m, 宽26.4m, 高13.3m, 待两侧明挖完成后暗挖进行。下穿段顶板与底板厚1.2m, 侧墙厚0.8m, 中板厚0.4m, 采用C40现浇混凝土;边桩为直径1m的钻孔灌注桩, 采用C30水下混凝土, 中柱为直径0.9m的钢管柱, 柱内为C50微膨胀混凝土。暗挖影响范围内存在2条变形缝风险源, 西侧变形缝位于开挖区域内, 距离车站边墙1.5m;东侧变形缝距离车站边墙11.7m。新旧隧道位置关系如图1所示。新建车站剖面如图2所示。

本工程特点: (1) 开挖断面大, 面积为351m²; (2) 零距离下穿, 新建车站顶板密贴既有隧道底板; (3) 施工区域存在变形缝危险源, 沉降控制严格; (4) 未预留足够穿越条件。因此确定采用沉降控制好的洞桩法, 断面利用率高的平顶直墙车站结构形式密贴下穿施工。

设计了2种洞桩法修建方案, 分别为六导洞和八导洞。其核心思想是将开挖区域分割成多个导洞施工, 先施作梁柱结构和车站顶板, 后在顶板保护下完成车站剩余主体结构。

对开挖区域超前深孔注浆加固地层;先后开挖1号导洞 (1) 和4号导洞 (2) , 并在导洞内的边桩和冠梁 (3, 4) ;在1, 4号导洞冠梁上均匀布设5组千斤顶, 主动控制既有隧道沉降;先后开挖5号导洞 (5) 和6号导洞 (6) , 并施作导洞内的底板和底纵梁 (7) ;先后开挖3号导洞 (8) 和2号导洞 (9) , 并施作导洞内的人工挖孔桩、钢管柱、顶纵梁和部分顶板 (10, 11) ;开挖上部导洞之间土体, 完成剩余顶板和部分侧墙 (12、13) , 继续向下开挖土体 (14, 15) , 完成中板、侧墙和剩余底板 (16) 。施工步序如图3所示。

对开挖区域水平注浆加固地层;先后开挖8号导洞 (1) 和5号导洞 (2) , 并施作导洞内的条形基础 (3) ;先后开挖1号导洞 (4) 和4号导洞 (5) 及导洞内的边桩和冠梁 (6, 7) ;在1, 4号导洞冠梁上均匀布设5组千斤顶, 主动控制既有隧道沉降;先后开挖6号导洞 (8) 和7号导洞 (9) , 并施作导洞内的底板和底纵梁 (10) ;先后开挖2号导洞 (11) 和3号导洞 (12) , 并施作导洞内的钢管柱和顶纵梁 (13, 14) ;开挖上部导洞之间土体, 完成剩余顶板和部分侧墙 (15, 16) , 继续向下开挖土体 (17, 18) , 完成中板、侧墙和剩余底板 (19) 。施工步序如图4所示。

采用Midas GTS建立2种施工方案的地层-结构模型。纵向18.2m、横向248.3m、高68.5m, 纵向为工程实际穿越距离, 周围土体取3~5倍的开挖洞径。整体模型如图5所示。2种施工方案内部单元划分如图6所示。

数值计算本构关系如下:土体、车站结构、既有隧道为实体单元, 土体弹塑性莫尔-库仑模型、车站结构和既有隧道弹性模型;初期支护为板单元, 弹性模型;变形缝建立接触单元, 接触单元厚度0.05m, 体积模量26.1MPa, 切变模量为12.5MPa。

地质勘测得出暗挖区域的地层参数如表1所示, 结构计算参数如表2所示。

导洞施作为1个施工步序;剩余车站主体结构为1个施工步序。因此, 六导洞洞桩法共分为7个施工步序, 八导洞洞桩法共分为9个施工步序。通过计算得出2种施工方案下的隧道结构变形曲线和变形缝沉降曲线以及塑性区分布。

图7为2种方案既有隧道结构沉降曲线。随着导洞施作, 沉降槽位置不断移动;施工完成后, 六导洞洞桩法下的既有隧道结构沉降为-8.627mm, 八导洞洞桩法下的既有隧道结构沉降为-11.351mm。在控制结构沉降方面, 六导洞洞桩法优于八导洞洞桩法。

图8为2种方案的变形缝历史沉降曲线。施工过程中, 变形缝处发生较大差异沉降;西侧变形缝位于开挖区域, 施工对其扰动显著, 其结构沉降和差异沉降均大于东侧变形缝。六导洞洞桩法下的既有结构西侧变形缝东侧结构沉降为-6.346mm, 变形缝两端结构差异沉降为2.779mm;东侧变形缝西侧结构沉降为-4.058mm, 变形缝两端结构差异沉降为-0.703mm。八导洞洞桩法下的既有结构西侧变形缝东侧结构沉降为-9.041mm, 变形缝两端结构差异沉降为5.854mm;东侧变形缝西侧结构沉降为-3.952mm, 变形缝两端结构差异沉降为-1.174mm。变形缝沉降在六导洞洞桩法第2阶段沉降变化明显, 在八导洞洞桩法第4阶段变化显著, 是4号导洞施工扰动所致。

在控制变形缝结构沉降和两端差异沉降方面, 六导洞洞桩法优于八导洞洞桩法。

图9为2种方案施工完成后车站周围土体塑性区分布。六导洞洞桩法施工完成后土体塑性区均匀分布于车站底板;八导洞洞桩法施工完成后塑性区在底板和地表均有分布。

塑性区分布, 六导洞洞桩法施工完成后车站周围土体塑性区小于八导洞洞桩法下的塑性区, 因此, 六导洞洞桩法优于八导洞洞桩法。

数值计算表明, 在控制隧道结构变形、变形缝沉降和差异沉降以及塑性区方面, 六导洞洞桩法优于八导洞洞桩法。因此, 六导洞洞桩法更适合于开挖断面大且施工区域存在变形缝危险源的工程。

洞桩法密贴下穿既有隧道施工过程中会辅以沉降控制措施, 控制施工风险及保障既有线的安全运营。本工程应用了超前深孔注浆加固技术和千斤顶动态顶升技术控制既有线沉降。

开挖前对暗挖上半断面的土体超前深孔注浆加固, 提高土体承载能力, 降低施工过程中土体坍塌风险。注浆措施如下。

1) 采用对称分序注浆, 注浆管长度为3~8m, 注浆位置为围护桩之间的空隙, 注浆压力先大后小, 将土层中的水挤出, 起到加密作用。

2) 注浆采用的超细水泥浆-水玻璃双浆液, 初始注浆压力为0.4MPa, 后续根据既有线沉降情况, 动态调整注浆压力。

3) 对注浆始、末端的钻孔间距不均匀造成的浆液分布不均, 采用多次注浆。

注浆完成后, 经检验土体力学参数有了较大提升。

待导洞之间的土体挖除后, 千斤顶可主动控制既有隧道沉降。洞桩法施工中, 1号导洞和4号导洞内的冠梁施作完成, 待混凝土强度达到设计要求, 在既有隧道下部对应冠梁位置均匀布设5组200t的伺服液压同步控制千斤顶, 在施工过程中动态控制上部既有线沉降。控制措施如下。

1) 在1号导洞内冠梁顶部既有线底部位置均匀架设5台千斤顶, 间隔为2m, 施加初始顶力50t, 顶紧既有隧道结构。

2) 在4号导洞对应位置架设相同个数的千斤顶, 施加初始顶力70t, 顶紧既有隧道结构;同时调整1号导洞内千斤顶顶力控制既有线沉降。

3) 下穿施工中, 密切监控既有线的变形, 动态调整千斤顶顶力;待中柱及顶纵梁施作完成后, 逐渐减小顶力, 顶纵梁逐渐承担较多受力, 实现千斤顶顶力到梁柱结构受力的转换。

4) 导洞间顶板施作之前, 千斤受力减小到最低点, 此时, 拆除千斤顶, 完成顶板及车站剩余主体结构。

查阅相关规范并根据当地周边环境, 制定监测控制标准。既有隧道结构沉降应控制在-10mm以内, 变形缝差异沉降应控制在4mm以内。在变形缝处及暗挖区间结构位置布置测点, 加强监控量测, 既有隧道测点分布如图10所示。

既有隧道南北两侧墙共设置7组监测断面, 其中东、西侧变形缝位置处各布置2组监测断面, 监测变形缝两侧结构沉降和差异沉降;隧道结构对应导洞开挖区域各设置1组监测断面, 监测隧道结构沉降。

通过监测, 4断面处 (JGCJ1-4, JGCJ2-4) 既有隧道沉降最大;西侧变形缝处的测点 (KHD01, KHD02) 差异沉降变化最大。因此, 隧道结构取最不利变形位置进行分析, 选取4断面处进行结构沉降分析, 其隧道沉降曲线如图11所示。施工完成后, JGCJ1-4测点沉降值为-9.62mm, JGCJ2-4测点沉降值为-7.81mm, 因此, 隧道结构南北两侧发生不均匀沉降, 是下穿由隧道北侧开挖所致, 未对既有隧道构成影响。最终隧道沉降控制在-10mm以内, 实测沉降与数值计算预测趋势一致。

图12为西侧变形缝两端结构差异沉降曲线。KHDR01测点数据大于KHDL01测点, 是下穿由隧道北侧开挖所致;监测90 d内变形缝差异沉降变化显著, 是位于西侧变形缝下方的4号导洞开挖对其扰动所致;待1, 4号导洞内的梁柱结构施作完成千斤顶施加顶力后, 沉降变化逐渐平缓。西侧变形缝差异沉降数据均没有超过4mm的安全控制范围, 与数值计算预测趋势一致。

通过实测分析, 既有隧道结构沉降和变形缝差异沉降均在合理控制范围以内;与数值计算预测趋势一致, 数值计算能有效指导施工。

1) 在控制既有隧道结构沉降和变形缝差异沉降方面, 六导洞洞桩法优于八导洞洞桩法;车站完成后土体塑性区分布方面, 六导洞洞桩法优于八导洞洞桩法。因此, 六导洞洞桩法更适合于本工程。

2) 超前深孔注浆加固地层, 千斤顶动态顶升主动控制既有隧道沉降, 保证了洞桩法密贴下穿施工既有隧道安全运营。

3) 与实测数据对比, 既有隧道变形规律与数值计算预测趋势一致。