新建地铁隧道下穿既有运营车站的设计与施工

新建地铁隧道下穿既有运营车站的设计与施工

赵华新

赵华新

北京城建设计发展集团股份有限公司北京100037

摘要：以工程实例为主要依据，对新建地铁隧道下穿既有地铁车站介绍时，下穿隧道设计方案的研究比选，通过数值模拟计算的方式来分析，新建隧道施工对既有车站的影响；根据现场施工监测到的数据，我们可以发现在大型管棚的支撑下，利用交叉中隔壁法（CRD）近距离施工的隧道下穿既有车站，对既有地铁车站的结构以及运营安全提供了有效地保障。

关键词：区间隧道；下穿；既有地铁车站；施工技术

前言：中国的轨道交通具有容量大，运输方式快，解决交通拥堵的能力，减少城市交通压力，提高公共交通服务水平的优势。它在中国的交通运输中发挥着重要作用。随着城市化进程的加快，城市轨道交通建设不断发展。由于调整了轨道交通网络的规划，一些新的地铁车站没有保持长期的换乘条件。不可避免地，新建隧道施工对现有的地铁线路产生了很大的影响，基于此，有必要对设计方案进行科学合理地利用，并且采取有效地施工措施，降低影响既有线路的程度，保障既有线结构，并且更要保障运营安全。

本文以某市新建地铁5号线区间隧道下穿既有地铁1号线车站为例，对下穿既有地铁区间隧道方案进行研究比选，并计算和分析了既有地铁区间隧道方案对既有车站的影响，并且以施工的监测数据为主要依据，对方案的安全性和可行性进行了充分的验证，使隧道安全穿越既有1号线车站。

1.工程概况

关于既有地铁1号线的车站，南北向是既有地铁1号线的车站布置方向，既有地铁1号线的车站结构为地下2层双柱三跨箱型框架结构；新建地铁5号线某车站，为东西方向，垂直于地铁1号线，新建地铁5号线某车站结构为地下3层双柱三跨箱型，并换乘1号线。因为实施1号线车站工程时，关于5号线的工程规划和计划还在进行中，因此，没有预留1号线车站的换乘条件，从而在建设5号线时，需要重新修建1号线车站的侧墙部分，并且关于已完成的1号线车站，5号线的区间隧道将需要下穿。在对隧道施工中，必须对2排1号线车站的主体围护桩进行拆除，围护桩是φ800mm@1300mm钻孔灌注桩。根据施工进度，5号线隧道进行建设时，既有1号线车站正处于试运营状态。

图1：新建隧道与既有车站关系图

2.简析新建地铁隧道下穿既有运营隧道对既有车站的影响

2.1控制既有车站变形的标准

进行了解以及考虑地铁运营安全的关键作用，新建工程不但严格要求既有地铁结构变形控制标准，而且也严格要求了既有轨道变形标准。在既有地铁下部隧开挖时，会严重的引起车站结构的附加变形，变形会引起轨道偏差，最终对线路的平整度造成影响，严重的情况下，会给列车运行的安全性造成威胁。

2.2关于既有车站变形的计算模型

对Midas-GTS有限元分析软件进行选取，然后对三维有限模型进行构建，进行计算以及分析既有车站水平位移、以及沉降，既有1号线为Y轴方向，5号线隧道为X型轴方向，垂直方向为Z轴，X轴方向的长度是44米，模型Y方向的长度是60米，模型Z轴方向的长度是40米。在模型的X，Y方向和底部应用法线约束，自由表面是上表面。在周围的岩石材料中，利用摩尔-库仑弹塑性模型。新隧道以及现有站作为弹性材料，计算模型1号线车站和新隧道之间的关系是相互的，见图2。

图3：既有车站结构变形值

3.关于隧道下穿既有车站的施工简析

3.1关于隧道下穿既有车站的施工技术方案

综合考虑既有车站的技术成熟的程度、技术的成本，技术的安全性，除减少对现有站的影响外，隧道段的施工方法是矿山法，马蹄形截面，CRD工法以及复合衬砌等等。关于隧道初始分支的顶部，现有站台底部与现有车站底部之间的最小距离在2米左右，以避免层间土壤坍塌。隧道的下部由φ108毫米长的管棚+φ42毫米的小导管支撑。首先建造一条左线隧道，然后建造一条右线隧道，左右隧道交错16米（2D）。隧道初期建设完成支后，为了减少由于隧道开挖给地层造成损失，初期支护的后部应及时灌浆，隧道顶部的灌浆管必须延伸到现有车站底板的位置，进行填充以及加固隧道顶部夹层土的空隙。

3.2关于监测数据的分析

既有车站的监测项目包括：台站结构的水平位移，轨道的沉降，车站的结构沉降，轨道的水平距离等。由于既有车站已经开始运营，轨行区监控不能随时进行，所以，基于人工监测，增添了自动化静力水准监测系统，实时监测能够对既有车站结构的沉降进行实时监测。

2017年9月7日本下穿隧道左长管棚开始施工，及2017年9月21日双线长管棚施工完成，2017年9月20日开挖左线隧道，2017年11月10日开挖右线隧道，左线下穿段初期支护于2017年10月16日完成，并且双线下穿初期支护于2018年1月5日完成。

在左、右线隧道下穿既有车站施工过程中，既有车站结构的累计沉降监测值虽然处于不同的阶段，但是既有车站结构和轨道沉降值均控制为小于4毫米，对地铁结构以及运营安全控制值进行满足。

4.选择和确定隧道下穿既有车站施工方案

对于方案实施的选择，应该依据具体工程建设的实际情况来进行。在该工程过程中，主要利用侧孔法施工，并且利用钢管复合注浆支护技术，以便控制既有线的沉降，以及工作面的稳定性。高压注浆在隧道拱顶外3米范围内进行，钢管长度26米，中间孔上方布置五层，侧孔上方四层。车站开挖的方法是先开挖侧孔，然后挖中间孔。初期支护为钢筋喷射混凝土，钢筋喷射混凝土的厚度25厘米，配以锚杆。通过测量，开挖侧洞时，拱顶沉降量为3-4毫米，初支护应力达到4.6MPa，上导坑开挖过程中会发生沉降。

结束语：

综上所述，根据隧道下穿既有地铁站的实际状况，对隧道设计方案进行比选，然后，对新建隧道施工对既有车站的影响通过有限元计算的方式进行分析，最后，进行对比分析施工监测数据，得出下面的结论：

1）值得借鉴的是采用的施工方法是矿山法、马蹄形截面、CRD工法以及复合衬砌的优点。混凝土施工技术比较成熟，成本比较低，影响现有站的综合接地和地面防水程度小。

2）在工程地质条件下，矿山法，CRD工法等施工方法是区间隧道所利用的，近距离下穿现有站点，使站点结构最大沉降和最大水平位移;均符合变形控制标准。

3）以现场施工和监测数据为主要依据，发现管棚尽管能对隧道顶部夹心土的塌方进行有效地防止，然而，在管棚施工过程中，引起了既有车站沉降1.8毫米，即管棚没有防沉降，防塌方的特点。根据施工监测数据，隧道下穿现有地铁车站，3.8毫米是最大的沉降量，3.4毫米的轨道也是最大沉降量，它们均与变形控制标准相一致，并成功的下穿既有地铁1号线。

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