摘  要：以机场线东直门站上跨下穿既有地铁１３号线东直门站站后折返线工程为背景，研究新建地铁车站近距离穿越既有地铁隧道时既有地铁结构变形控制的标准及技术。施工前对既有地铁结构进行检测加固。根据检测评估、模拟计算和安全检算等结果制定既有地铁结构变形控制标准，并将沉降控制值按关键施工工序进行分解。施工过程中，采用加垫方法和ＰＬＣ液压同步控制顶升技术等主动控制沉降。监测数据表明：隧道结构与轨道结构保持密贴；线路的轨距、水平、变形缝开合度均未超出控制值；开挖中导洞阶段及盖挖法施作下穿结构边墙和底板阶段既有地铁结构沉降占总沉降的５０％左右，是施工控制的关键阶段；变形缝差异沉降超出控制值，是施工控制的重点位置；变形缝附近沉降、差异沉降等受环境温度影响较大，是监控的重点区域。

关键词：城市轨道交通；地铁车站；穿越施工；变形控制；顶升技术

 

      随着我国城市轨道交通的大规模建设，地铁线路之间相互交叉、穿越的工程越来越多。目前，运营中的既有地铁隧道对变形的严格要求与工程中预测和控制既有地铁隧道变形的能力之间的矛盾日趋突出。北京、上海等地在地铁建设过程中遇到的穿越问题虽然已有成功的案例^{［１－３］}，工程界和学术界对新建地铁车站穿越建筑物及管线的变形施工控制技术进行了大量研究^{［４－８］}，但迄今为止，对技术难度大、风险高的新建地铁车站近距离穿越既有地铁隧道施工时的变形控制标准及技术研究较少^{［９－１０］}。

      本文以北京市轨道交通首都国际机场线东直门站Ｃ区上跨下穿既有地铁１３号线东直门站站后折返线工程为背景，研究新建地铁车站近距离穿越既有地铁隧道时既有地铁结构变形控制标准及技术。

 

１　工程概况　

      北京市轨道交通首都国际机场线东直门站Ｃ区上跨下穿既有地铁１３号线东直门站站后折返线工程，为我国首次大断面密贴斜交上跨下穿既有地铁隧道。机场线东直门站位于东直门外大街北侧，东西走向，长１８３．８６ ｍ、宽２２．４０ ｍ、高２５．３６ｍ，主体结构由５段独立结构组成，其中Ｃ区为双单层结构，分为上跨和下穿既有地铁隧道２部分。Ｃ区结构如图１所示。

      既有地铁隧道分为明挖段和暗挖段２段结构，明挖段位于车站主体和暗挖段之间，为单层单跨箱形结构，明挖段前后设有变形缝。暗挖段为单层双联拱结构。既有地铁隧道与新建地铁车站之间为６１．７４°斜交。

 

２　施工前既有地铁轨道结构防护加固措施　

      施工前，对既有地铁结构现状进行全面检测评估，根据检测评估结果对既有地铁轨道结构进行防护加固。

      检测评估内容主要包括：①线路轨距、水平、轨向、高低；②扣件及钢轨磨耗程度；③道床裂缝情况；④道床与隧道剥离情况；⑤混凝土外观、表面裂缝分布、混凝土强度、混凝土碳化深度等。

      防护加固措施主要包括：①对受影响地段轨道结构全面整修一遍，拧紧扣件，调整轨距、水平，调整后轨道状态满足北京地铁工务维修规则^［１１］规定的计划维修标准；②基本轨外侧接头夹板改用减振接头夹板，以减少轮缘对尖轨的冲击；③采用防脱护轨对钢轨进行防护加固。

 

３　既有地铁结构变形控制标准确定　　

      既有地铁结构变形控制标准可分为轨道结构变形控制标准和隧道结构变形控制标准２部分。

      轨道结构变形控制标准涉及既有地铁的线路条件、运营速度、扣件类型和养护维修条件等因素，同时需考虑限界的要求。轨道结构变形控制的项目主要包括沉降或隆起量、沉降或隆起速率、道床开裂、道床与隧道剥离、轨距、水平、轨向等。

      根据既有地铁轨道结构现状检测评估结果和北京地铁工务维修规则，并复核该段线路的限界，分析确定轨道结构变形控制标准，见表１。

      隧道结构变形控制标准与施工对既有地铁隧道的变形影响及既有地铁隧道的现状承载能力密切相关。隧道结构的变形控制项目主要包括沉降或隆起量、沉降或隆起速率、变形缝差异沉降量、变形缝开合度 等。

      利用ＦＬＡＣ３Ｄ对施工过程进行模拟分析，计算施工引起的既有地铁隧道结构变形值。

      土体采用莫尔－库仑准则、大应变变形模型计算；混凝土结构用弹性材料模拟；围岩和二衬用八节点六面体单元模拟，暗挖初衬用壳体单元模拟；围护桩用桩单元模拟；基坑用钢支撑、千斤顶用梁单元模拟；变形缝用接触面单元模拟。

      地层参数见表２；衬砌及围护结构计算参数见表３；梁单元和桩单元计算参数见表４；接触面单元计算参数见表５；地层注浆加固按提高相应土层Ｃ，φ值３０％考虑^［２］。

      整体网格模型如图２所示，新建地铁车站与既有地铁隧道位置关系如图３所示。

 

      最终计算得到既有地铁隧道结构底板中心所在纵断面各施工工序完成后的纵向累计沉降或隆起量如图４所示。由图４可知，既有地铁隧道结构最大隆起量为１８．６６ｍｍ，最大沉降量为２１．８９ｍｍ。

      利用ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ建立空间结构模型，计算上述变形引起的既有地铁隧道结构内力变化。计算模型如图５及图６所示。

      经检算，变形后既有地铁隧道结构内力小于其自身承载能力，因此可将隆起量１８．６６ｍｍ、沉降量２１．８９ｍｍ作为既有地铁隧道结构沉降或隆起控制值。但考虑到上述值比轨道结构沉降或隆起控制值偏大，因此最后取±１５ｍｍ作为既有地铁隧道结构沉降或隆起控制值。

     最终，根据既有地铁隧道结构检测评估、模拟计算和安全检算结果，考虑轨道结构变形控制标准，并参考国内外类似工程经验，制定既有地铁隧道结构变形控制标准，见表６。需要说明的是，此变形控制标准体系建立在已有工程基础之上，在其他类似工程中的适用性还需进一步验证和完善。

      由于施工过程中每步施工工序都会对既有地铁隧道产生不同程度的影响，最终沉降量是各施工工序引起沉降量的累计值，因此，必须对关键施工工序设定沉降分步控制值。根据结构变位分配的原理和方法，结合模拟计算得到的不同施工工序沉降量之间的比例关系及类似工程实际经验，将既有地铁隧道结构沉降控制值按关键施工工序进行分解 （见表７），从而实现结构沉降的分阶段动态控制。

      由表７可知，开挖中导洞及盖挖法施作下穿结构边墙和底板这２个工序导致的既有地铁隧道结构沉降量之和达８．５ｍｍ，占总沉降量的５６．７％。因此，这２个工序为施工控制的关键阶段。

 

      对于轨道结构沉降，根据沉降量和轨道结构特点，主要采取在垫板下加垫的方法调整轨面标高。

      对于道床开裂和道床与隧道剥离，利用ＡＢ树脂进行修补，采用无压灌注法，灌浆材料２ｈ必须达到Ｃ１５强度等级，并在通车前２ｈ施工完毕。

      当既有地铁隧道结构沉降超限时，为了能够迅速及时地消除或减小沉降，保证既有地铁线路的正常运营及在建工程的施工安全，采用ＰＬＣ液压同步控制顶升技术控制沉降。ＰＬＣ液压同步控制顶升系统由液压系统 （油泵、油缸）、检测传感器、计算机控制系统、千斤顶等组成。

      既有地铁隧道结构沉降主要由下穿结构施工引起。下穿结构主要施工工序包括：①开挖１号导洞并支护；②１号导洞内打桩并施作桩顶Ｌ形托梁；③开挖２号导洞并施作条形基础和钢支撑；④在导洞内布置千斤顶并开挖３号导洞；⑤拆除导洞隔墙并施作下穿结构顶板；⑥下穿结构主体开挖并布设钢支撑、锚索；⑦施作下穿结构边墙和底板；⑧拆除千斤顶并回填新、旧结构之间空隙。下穿结构主要施工工序如图７所示。

      根据上述施工工序，在以下３个阶段实施顶升控制。

      第１阶段：当１号、２号导洞完成、进行３号导洞开挖时，即从下穿结构施工工序第４步起，安装ＰＬＣ液压同步控制顶升系统，将千斤顶布设在１号、２号导洞内的设计位置。随着下穿结构３号导洞开挖施工的进行，根据监测数据按照有关要求，及时进行顶升，使既有地铁隧道结构沉降保持在允许范围内。

      第２阶段：下穿结构施工至第５步时，即分段拆除导洞隔墙，施作顶板结构，当顶板结构达到设计强度后，在顶板上布设支撑，顶住导洞初支。在此阶段随着顶板结构的分段施工，适时调整千斤顶的数量和布置，以便必要时对既有地铁隧道结构进行顶升，使其沉降保持在允许范围内。

      第３阶段：下穿结构施工至第７步，本阶段为下穿结构施工至完成、且结构达到设计强度后的阶段，根据监测和需要及时对既有地铁隧道结构进行顶升，使其沉降保持在允许范围内。

      根据各阶段的工程设计顶力计算及千斤顶用量情况，ＰＬＣ液 压 同 步 控 制 顶 升 系 统 的 配 置 为：ＰＬＣ液压控制总站１台，控制子站２台，２００ｔ千斤顶３０台 （２台备用）。第１阶段在既有地铁隧道暗挖段一侧的１号导洞内布置８台千斤顶，明挖段一侧的１号导洞内布置６台千斤顶，在２号导洞内型钢支撑两侧沿２号导洞对称布置１４台千斤顶。第２、第３阶段在既有地铁隧道明挖段内，沿隧道侧墙部位均匀布置２０台千斤顶，间距１～２ｍ；在既有地铁隧道暗挖段内布置８台千斤顶。

      需要注意的是，在顶升过程中，既有地铁隧道结构由千斤顶支承，在每次顶升到位后，应及时采取压浆等措施处理，完成后ＰＬＣ液压同步控制顶升系统将千斤顶收油，既有地铁隧道结构仍然由支护结构受力支承。

 

      监测数据表明，在施工各阶段，布置测点处的轨距、水平、变形缝开合度均未超出控制值。但变形缝差异沉降测点累计最大值为６．３ｍｍ，已经超出控制值 （４．０ｍｍ）。因此，变形缝附近是施工控制的重点位置。

      上行隧道及轨道结构不同沉降观测点累计沉降量如图９和图１０所示。由图可见，在上跨结构基坑开挖过程中，隧道结构隆起量比轨道结构隆起量大 （隧道沉降测点ＪＪ８最大隆起量为８．７ｍｍ，轨道沉降测点ＧＪ８最大隆起量为５．８ｍｍ），说明在上跨结构施工过程中，道床与隧道底板密贴。基坑开挖到底时，既有地铁隧道和轨道结构的大部分测点处于隆起状态，随着下穿结构导洞及顶板施工的进行，既有地铁结构中部测点缓慢下沉。在下穿施工过程中及完成后，隧道结构与轨道结构沉降基本保持一 致，二 者 累 计 最 大 沉 降 量 均 为１２．８ ｍｍ（隧道结构沉降测点ＪＪ１４，ＪＪ１６；轨道结构沉降测点ＧＪ１４，ＧＪ１６），说明在下穿结构施工过程中及完成后，道床与隧道底板始终密贴。

      在整个施工过程中，既有地铁结构先整体隆起，后整体沉降，最大沉降量为１２．８ｍｍ，未超过控制值。隧道、轨道结构对应位置测点的沉降量及变化趋势基本一致，说明在施工过程中，既有地铁结构基本保持整体隆起、沉降状态，结构本身没有产生扭转。在开挖中导洞阶段及盖挖法施作下穿结构边墙和底板阶段，既有地铁结构沉降量较大，占总沉降量的５０％左右，为施工控制的关键阶段。