成都地铁19号线天府商务区站矩形断面矿山法零距离下穿既有车站施工方案

杨凤梅 叶至盛

(1.中国电建华东勘测设计研究院有限公司，311122，杭州; 2.中电建铁路建设投资集团有限公司，100044，北京∥第一作者，高级工程师)

近年来，随着地铁网络化建设的快速发展，穿越既有地铁运营车站的新地铁车站施工逐步成为地铁建设的常态。由于线路和规划等发生变化，换乘站中的先建车站往往无法给后建车站提供理想的预留条件；而后建车站的施工也会不同程度地对既有运营车站结构造成影响，甚至可能危及运营安全。新建线路近距离下穿既有线或车站，既要考虑既有线或车站的沉降变形，又要考虑线路运行安全，故施工工序复杂，工艺要求高[1-5]。

本文基于新建的成都地铁19号线天府商务区站采用矩形断面矿山法零距离下穿既有地铁运营车站项目，针对施工难点重点，进行具体施工方案的比选，并解读了施工中的控制措施，以期为后续类似工程建设提供参考。

1 项目概况

1.1 工程概况

成都地铁6号线(以下简为“6号线”)天府商务区站和成都地铁19号线(以下简为“19号线”)天府商务区站为十字形换乘。其总平面示意图如图1所示。其中：6号线车站已于2020年底运营，其主体结构为地下3层双柱3跨框架结构，长235.2 m、宽23.3 m、深25.8 m；新建的19号线车站为地下4层双柱3跨框架结构，长220.0 m、宽28.6 m、深35.7 m，顶板覆土厚3～4 m。19号线车站大部分采用明挖法施工，其下穿6号线车站的部分采用矿山法暗挖施工。

图1 天府商务区站总平面示意图

1.2 矿山法施工部分与运营车站关系

矿山法施工部分沿19号线线路方向长23.3 m，宽33.6 m。该部分车站为地下4层矩形框架结构。如图2所示,19号线暗挖段位于负4层，其余三层与6号线相接。负4层部分结构高10.4 m，埋深为24.8 m。开挖范围需破除6号线底板下方12根φ1.2 m、长10 m的抗拔桩，再新建19号线车站永久结构(包括板梁柱、侧墙及抗拔桩)，其中新建车站的顶板密贴既有运营车站的底板。

图2 下穿地段沿19号线方向纵剖面图

1.3 地质条件

矿山法施工段位于中风化泥岩地层，其围岩等级为Ⅴ级，地层岩性较好。不良地质主要为低瓦斯有害气体及断层，特殊岩土为膨胀岩、风化岩及石膏。勘察期间车站范围地下水位埋深约为2.0～14.7 m，平均渗透系数为0.44 m/d，属弱-中等透水层。

1.4 施工重点与难点

1.4.1 新建车站与预留的下穿条件不匹配

6号线在建设期已在地下二层预留19号线轨行区穿越条件。但后因城市核心商务区规划及地块开发等条件发生变化，19号线车站从地下2层调整为地下4层，无法匹配6号线预留的下穿实施条件，只能采用矿山法下穿既有运营车站的底板。而类似案例少，难以借鉴相关施工经验。

1.4.2 零距离下穿施工中的既有车站沉降控制

由于拱形受力效果较好，矿山法施工断面通常设计为马蹄形断面。为减少新建车站埋深，节约工程投资，本工程设计将新建车站顶板密贴运营车站底板，二者间无空隙。因此，只能采用矩形断面矿山法来施工。

本项目为超规模危大工程，为确保既有线的安全运营，既有线沉降控制指标仅为10 mm，差异沉降控制指标为4 mm。无论是施工过程中的控制不当，还是在开挖施工阶段有土体自稳性不好、开挖支护不及时或初期支护收敛变形较大等问题，或是在结构施工阶段新旧框架体系不密贴等，都会使运营车站结构沉降超过控制值，进而影响运营安全。

1.4.3 主体结构防水质量

暗挖段主体结构须分块施工，逐步形成完整主体结构，故施工分缝较多。考虑到本站埋深大、地下水位高的特点，则主体结构施工缝防水质量是本工程质量控制的重点。

1.4.4 技术难点

下穿段结构顶板施工空间有限，难以控制浇筑振捣质量。故应于场外设试验段，并在关模前提前完成浇筑管预埋，确定详细浇筑方案，以确保顶板密实。

本项目中，首先，对既有线车站底板底部进行凿毛并清理；然后，通过植筋与新建的建筑结构顶板钢筋连接，再浇筑微膨胀混凝土成为整体，以保证受力连续。此外在浇筑过程中应加强振捣、保证密实。

新增抗拔桩施工原设计采用人工挖孔桩，施工进度慢、风险高、对工期不利。后来引进了改良的低矮旋挖钻进行机械施工，大大提高成桩效率。

2 施工方案比选

19号线天府商务区站矿山法施工部分(以下简为“矿山法部分”)的实施可采用导洞法施工方案或分段法施工方案。

2.1 导洞法施工方案

如图3所示，导洞法开挖共设置4个导洞。其施工过程为：首先，按①→②→③→④顺序交错开挖；并在导洞开挖时于抗拔桩底部新建条形基础，形成抗拔桩+条形基础的临时支撑体系；待导洞全部贯通后，按⑤→⑥→⑦→⑧顺序扩挖剩余土体；每个扩挖区贯通后，紧跟施工该区域19号线车站的结构和临时钢立柱，并破除6号线的抗拔桩+条基临时支撑；待永久结构全部形成后再拆除钢立柱，实现由临时支撑到永久框架结构的受力体系转换。导洞法施工方案的支撑体系如图4所示。

图3 导洞法开挖示意图

图4 导洞法施工支撑体系示意图

该方案主要优点为：每道施工工序均有明确的竖向支撑体系作用，运营车站的变形及沉降相对易控制。

2.2 分段法施工方案

如图5所示，分段法将断面分为7个开挖区域，每个区域采用上下台阶法开挖，同时破除6号线抗拔桩。首先，开挖①→②→③→④区域土体，并随开挖进程进行支护；每开挖一段区域，随即形成永久结构，再进行下一段区域开挖。然后，开挖⑤→⑥→⑦区域土体，依次施做永久结构。施工期间主要利用未开挖土体和新筑主体结构形成支撑体系(如图6所示)。

图5 分段法开挖示意图

图6 分段法施工的支撑体系示意图

2.3 方案比选

本文从施工工序等不同方面对2个施工方案进行对比，如表1所示。

表1 方案对比

由表1可见，分段法施工方案优势明显，故本工程采用分段法施工。

3 既有结构受力及变形的仿真计算

本文采用MIDAS-GTS NX有限元软件，建立地层-车站结构仿真模型，对开挖施工阶段既有车站的结构变形及内力影响进行计算，并对正常使用阶段既有车站的承载力进行计算复核。

3.1 结构概况及主要支护参数

矿山法施工段开挖断面有5.4 m(宽)×10.4 m(高)、4.8 m(宽)×10.4m(高)两种。隧道按区域采用上下台阶法分部施工，每部循环进尺按0.5 m控制。

开挖施工过程中设置的喷锚支护，在后期施作结构时需部分拆除。喷锚支护设置Ⅰ28a工字钢架；钢架间距为0.5 m，且在钢架两侧打设锁脚锚管；喷射混凝土采用0.35 m厚的C25混凝土。19号线车站结构尺寸为23.3 m(长)×33.6 m(宽)×10.4 m(高)，采用C35、P12防水混凝土。

3.2 开挖施工阶段

本文采用MIDAS-GTS NX有限元软件，建立地层-车站结构模型如图7所示，对开挖施工阶段既有车站的结构变形及内力进行计算分析。

图7 开挖施工阶段的地层-车站结构有限元计算模型

3.2.1 模型选择及本构关系

根据分段法施工步序，计算时假定围岩为连续介质，采用四面体单元模拟；车站结构采用梁单元模拟。围岩在开挖过程中考虑其塑性变形，采用修正摩尔库伦弹塑性准则；而车站结构、围护结构仅考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系[6-7]。

3.2.2 计算结果

从图8所示的计算结果可看出，暗挖施工过程中引起车站结构产生的竖向最大位移出现在图5所示中开挖步骤5的6号线底板位置，为4.6 mm，小于规范要求的10 mm，满足变形控制要求。

图8 车站竖向位移计算云图

3.3 正常使用阶段

暗挖节点处荷载-车站结构三维模型如图9所示。对暗挖节点处进行计算，计算结果见图10。在暗挖节点处，既有结构顶板厚0.9 m、中板厚0.4 m、底板厚1.1 m。

图9 正常使用阶段的荷载-车站结构三维有限元模型

a)X向基本组合弯矩Mxx

根据内力计算结果，在正常使用阶段6号线底板均可满足承载力要求。进一步配筋验算可知，裂缝控制要求同样满足。

4 主要保护性施工控制措施

4.1 运营车站变形控制措施

主要应对措施：①运营车站采用自动化监测技术，暗挖段施工根据自动化监测成果信息化施工；②暗挖段严格按设计图纸的步序施工，分部、分层、分段开挖，及时跟进型钢拱架及喷锚支护，施工期间加强施工监测；③施工前制定应急预案，包括加强超前支护、初期支护、增设临时支撑等措施，有效控制运营车站变形量，确保结构安全;④暗挖施工期间，运营车站上方不得超载;⑤与运营公司建立沟通联动机制。

4.2 对多条施工缝的结构防水施工措施

主要应对措施：①施工缝位置设置止水钢板，并控制止水钢板安装质量；②加强防水措施，在原设计基础上施工缝加设橡胶止水条、预埋注浆管；③加强施工缝处理，每仓混凝土浇筑后及时有效地进行凿毛处理，新浇筑混凝土前用高强度水泥浆预处理；④若出现渗漏水情况时，采取专项措施及时堵漏，制定专项方案,使用专业队伍,采用专项材料,并经专业验收。

5 监测及分析

采用徕卡TM30测量机器人(测角精度为0.5″，测边精度为0.6 mm+10-6测距)自动监测。监测点采用锚固方式将小棱镜固定在道床，以及结构边墙的中部与顶部。TM30测量机器人以3～6次/d的频率自动采集现场三维数据，并将数据实时传输至控制中心。经过粗差剔除及数据平差，即可计算出监测点的水平位移和竖向位移。

由图11—图13可见：矿山法施工至主体框架结构浇筑完成期间，既有运营车站结构顶板水平、竖向位移无明显变形趋势，变形均小于-1 mm；既有运营车站道床的水平位移与竖向位移均较小，上下行隧道变化趋势相近，位移均小于-1 mm，结构施工完成后变形趋势收敛；道床横向、纵向无明显不均匀差异沉降。

a)水平位移

a)水平位移

a)横向差异位移

既有运营车站各测点监测指标的远程自动监测成果如表2所示。将各项目监测结果与其目标控制值对比可见：运营车站的结构及轨行区竖向位移较小，控制效果良好；所有测点的监测项目均未超控制值。

表2 既有运营车站各监测项目的监测结果

6 结语

新建的19号线天府商务区站零距离下穿既有地铁运营车站，采用矿山法施工，具有较大施工难度。

经比较，分段法施工方案支撑体系转换简单、工序少、工期短、施工缝少且防水效果好，更适用于本工程。经仿真计算，分段法施工既能满足既有车站结构变形、承载力及裂缝控制要求，又能保证运营车站安全。本文还总结了对既有运营车站的主要保护性施工控制措施,并采用先进的仪器和技术对既有运营车站变形进行监测。监测结果表明，既有运营车站变形控制效果良好，监测项目均未超出控制值，上部运营车站处于安全可控状态。