1、新建地鐵下穿既有軌道車站施工方案研究摘要： 隨著城市地下交通工程的快速迅猛開展,新建地鐵下穿既有軌道車站工程的案例越來越多.為了保證在下穿軌道工程中既有軌道的平安運營和新建下穿隧道施工方案的平安合理,針對新建地鐵下穿既有軌道車站的實際工程特殊性,該文以重慶某新建地鐵下穿既有軌道車站為工程研究背景,采用 Midas/GTSMidas/GTS 有限元分析軟件對新建地鐵分別采用已有設計 CRDCRD 法和變更的上下臺階法施工進行數值模擬,分析比照下穿軌道工程案例中既有軌道車站結構的沉降變形與應力的規(guī)律.研究結果說明：該下穿工程采用 CRDCRD 法和上下臺階法施工所引起的既有軌道車站最大沉降值和應力

2、都在平安可控的范圍內,但是 CRDCRD 法的施工工序復雜,耗時較長,所以該工程將施工方法由 CRDCRD 法變更為上下臺階法.并通過工程的實際監(jiān)控數值進一步驗證了上下臺階法的合理性.關鍵詞：地鐵車站；數值模擬；CRDCRD 法；上下臺階法；道床沉降隨著地下交通開展的加快,城市地下軌道線路里程大幅增加,一些新建線路不可防止地要穿越既有的軌道線路.城市地鐵穿越方式大致分為上穿、 下穿和側穿 3 3 種形式,其中以下穿既有地鐵平安隱患最大,下穿施工會對既有地鐵的沉降等帶來很大的影響.所以在進行下穿既有軌道的設計與施工時,都必須采取合理的施工方案,既保證既有軌道的運營平安,又滿足新建線路的需要.在中

3、國已經有不少下穿既有軌道的成功工程案例,相關的專家學者也對新建地鐵下穿既有軌道的沉降變形進行了大量分析,但是對于風險隱患高和施工設計挑戰(zhàn)大的新建地鐵下穿既有軌道車站的沉降變形與結構應力研究分析還相對較少.該文以重慶某新建地鐵下穿既有軌道車站實際案例為工程研究背景,應用有限元數值模擬的方法,在新建地鐵下穿既有軌道車站已有的 CRDCRD 法設計施工方案的根底上,分析比照上下臺階法施工方案所引起的既有軌道結構沉降和應力,以此作為變更施工方法的依據,在此根底上通過對既有軌道的監(jiān)測,進一步驗證選擇變更施工方案的合理性.1工程背景新建地鐵主體結構為別離式雙洞單拱單層結構,總長 4343m m,單洞凈寬

4、11.59m,11.59m,凈高10.39m10.39m,為復合式襯砌結構； 隧道埋深約 24.2m24.2m,往大里程方向為 0.2%0.2%的底板縱坡.新建地鐵隧道結構下穿某既有軌道車站,主體結構與既有軌道車站主體結構底梁底面的垂直距離約為 7.17m7.17m0 0車站主體圍巖主要為中等強度砂質泥巖、砂巖,圍巖等級為 IVIV 級.新建地鐵與既有軌道車站空間位置關系見圖 1 1.為了較好地限制既有軌道車站的沉降變形,該工程初期設計施工方案為CRCRD D法,但CRCRD D 法消耗本錢高,工期較長,分塊太多工序復雜,從而考慮把 CRCRD D 法變更為上下臺階法.相較于 CRDCRD 法

5、,上下臺階法工序簡單,資金消耗較少,工期相對較短,但是在沉降變形限制上相對缺乏.下文將對兩種施工方法進行分析,圖1 1新建地鐵與既有軌道車站空間位置關系單位：mmmm按怫損,1人 U 通道埋flfl俾扶梯既有斯理他鐵immmmLL1 1丫：Il5Il5心負E2以保證施工平安2不同開挖工法的數值分析2.1計算模型該文采用 MidasGTMidasGTS S 對新建地鐵隧道的影響區(qū)域進行模擬分析,所建模型長度 110110m m,寬度 4343m m,高度 6060m m,車站主體結構底梁底面與隧道拱頂垂直距離為 7.17m7.17m.擬定沿新建隧道軸線方向為 Y Y 軸,沿里程方向為正向,Z Z

6、 軸的正向為豎直向上,與隧道軸線垂直橫斷面向右為 X X 軸正向.2.2計算參數該計算采用中等風化砂巖及中等風化砂質泥巖,各圍巖、襯砌的物理力學參數見表 1 1.表1 1物理力學指標材料類型重度 kNkN* *nini) )內摩擦用黏聚力klklJ Ja a彈性模量泊松比本構模型砂巖252545452.2.200461.3*).*).2020摩爾庫侖砂質泥巖26263535700150015002828摩爾庫侖既有車站頂板2323333300(00(2.站摩爾庫侖既仃車站底板25253300033000H.H.第摩爾摩侖既有車站中柱2525333300(00(),),2525摩米庫企初期支護2

7、32321000210000.0.2020各向彈性幅時支撐727221021001X101X10.0.2020a向彈性2.3施工步驟模擬根據新建地鐵車站下穿既有軌道車站的具體工程情況,分別對 CRDCRD 法和上下臺階法兩種設計施工方案進行比照分析.CRDCRD 法和上下臺階法的開挖進尺都CRDCRD 法的開挖步驟為：右線右上臺階初期支護、錨桿、臨時支撐;右線右下臺階初期支護、錨桿、臨時支撐；左線左上臺階初期支護、錨桿、臨時支撐;左線左下臺階初期支護、錨桿、臨時支撐；右線左上臺階初期支護、錨桿、臨時支撐；右線左下臺階初期支護、錨桿;左線右上臺階初期支護、錨桿、臨時支撐；左線右下臺階初期支護、錨

8、桿.各局部錯開 5 5m m.上下臺階法的開挖步驟為： 右線上臺階初期支護、錨桿、臨時支撐；右線下臺階初期支護、錨桿；左線上臺階初期支護、錨桿、臨時支撐;左線下臺階初期支護、錨桿.上下臺階各局部錯開 5 5m m0 0兩種開挖方法的工序圖分別見圖 2 2、3 3.圖2 2CRDCRD法施工工序圖圖3 3上下臺階法法施工工序圖2.4數值模擬結果由于新建地鐵下穿既有車站起主要限制作用的是既有車站的沉降和應力,所以模擬比照兩種工法時只對其相應的既有車站道床沉降和應力進行分析.根據重慶市軌道交通結構平安限制標準的要求,既有車站道床豎向位移的平安范圍為?5 5mmommo2.4.12.4.1 既有車站道

9、床沉降數值分析結果經計算,CRDCRD 法和上下臺階法下穿施工完成后引起的既有車站的豎向位移結果為：最大沉降集中在新建地鐵正上方的既有車站道床上CRDCRD 法、上下臺階法最大沉降分別為 4.014.01、4.75mm4.75mm, ,所以沉降比照點選取在既有車站道床中線X X軸上,每5 5m m取一個點,共1 10 0個沉降比照分析點.下穿隧道施工開挖至不同斷面引起的既有軌道車站道床豎向沉降位移曲線見圖 4,4,最大沉降值見表 2 2M M坐丁值/m/m25-20-15-10-5O25-20-15-10-5O5 51015202510152025.I IIIIIII5IIIIIII5I1 1

10、F FII-Q-Q- - 0.40.4口D D法開挖1/41/4- - 0.6,0.6,口噫 7 二 4 二o oLRLR口法外挖成- -0.4QXj/j/-CRD-CRD法開挖3/43/4- - Lfl.Lfl.* *口*Tf*Tf：RRRR法開挖完成- - i.zLi.zL皿?臺階法開挖m m- - uu弋 M/z*/z*-c-c一臺階法開挖itit- - LhLh工H H, ,+仃階位開揩3M3M- - Iff-Iff-.F 匚,+臺階法開挖完成- - 2.02.0L L1-圖4 4既有車站道床豎向位移曲線表2 2開挖至不同斷面引起的既有道床最大沉降值開挖方法道床沉降nmnm開升至1/4

11、1/4斷面開挖至1 12 2斷面用挖至3434斷面開挖完成CRDCRD法0,120,12U.GGU.GG0.810.810 0+ +8585上下臺階法0.0.fi4fi4I.I.2S2S.75751.951.95百分比, ,% %66665252-16-164444從圖 4 4 可以看出：在新建地鐵下穿施工完成以后,CRDCRD 法引起的既有車站道床最大沉降值為 0.85mm0.85mm,上下臺階法引起的最大沉降值為 1.95mm1.95mm, ,CRDCRD 法和上下臺階法開挖所引起的既有車站道床的最大位移都出現在新建地鐵隧道的拱頂正上方附近,所以在進行下穿施工設計時,應盡量防止新建隧道兩拱

12、頂在既有車站的樁柱的正下方,防止出現應力集中.從表2 2可以看出： CRCRD D法在開挖至1/1/4 4斷面期間所引起的沉降值占總沉降值的50%50%左右,所以采用 CRDCRD 法時要注意限制此段區(qū)間的沉降；上下臺階法開挖引起的沉降值在幾個開挖區(qū)間分布較為均勻,且在各個開挖階段 CRDCRD法引起的既有車站道床沉降都是上下臺階法的一半左右；兩種施工方法所引起的既有軌道車站的沉降值都滿足平安限制要求.2.4.22.4.2 既有車站結構應力分析經計算,CRDCRD 法和上下臺階法施工完成后既有軌道車站的應力結果為：CRDCRD法施工后既有車站的最大壓應力為 1.25MPa,1.25MPa,最大

13、拉應力為 0.40MPa0.40MPa. .上下臺階法施工后既有車站的最大壓應力為 1.61MPa1.61MPa,最大拉應力為 0.42MPa0.42MPa. .CRDCRD 的最大主應力均小于上下臺階法,但二者都滿足平安限制要求.2.5結果分析兩種開挖方法施工完成后引起的既有車站最大沉降和位移數值見表 3 3.表3 3數值模擬比照值開挖方法最大沉降壓應力/MP/MP由拉應力MPaMPaCRDCRD法0.850.85L25L250.0.4040上下臺階法L L61610.0.22百分比/141478789595由表 3 3 可知：從數值模擬來看,采用 CRDCRD 施工對于沉降和應力的限制均優(yōu)

14、于上下臺階法,但是兩種工法施工所引起的沉降和應力都滿足平安限制要求,綜合考慮工序復雜程度、施工周期、人員投入和平安限制等因素,該下穿工程將施工方法由 CRDCRD 法變更為上下臺階法.3施工監(jiān)控結果與分析該工程采用上下臺階法施工并已經施工完成,既有車站道床的實際沉降監(jiān)控值與上下臺階法的數值模擬值比照見圖 5 5. .A A坐標值AnAn7 71 1凡：4-4-實除沉降值圖5 5既有車站道床豎向位移曲線從圖 5 5 可以看出：既有車站道床的實際沉降規(guī)律和數值模擬相差不大,實際監(jiān)控的最大值也出現在新建地鐵隧道的拱頂正上方附近,實際監(jiān)測的最大沉降值為 1.52mm1.52mm,為數值模擬值的 78%

15、,78%,滿足平安限制要求,進一步驗證了該工程由 CRDCRD 法變更為上下臺階法施工的可行性.4施工平安風險限制對于新建地鐵車站下穿既有軌道車站工程,工程風險不只是自身隧道開挖所帶來的施工風險,既有軌道車站的變形也存在很大的風險隱患,基于此,結合以往工程案例經驗和該工程的實際工程地質情況等,對該下穿既有軌道工程采用變更后的上下臺階法施工進行了如下的風險限制,保證了該下穿工程的平安性.(1)(1)在新建地鐵車站采用上下臺階法下穿施工過程中,采用非爆破開挖,開挖時嚴格限制開挖進尺,每循環(huán)不超過 1 1m m.對錨桿、鋼架、噴射混凝土等工序,要嚴格限制施工質量.(2)(2)增強初支剛度,隧道之間巖柱設置對拉錨桿,合理安排施工順序,保護中間巖體.(3)(3)在下穿工程施工中要對既有車站結構的沉降及水平位移進行自動化監(jiān)測,實時反應監(jiān)測數據