中铁十四局集团有限公司 山东济南 250000
摘要：以深圳市城市轨道交通5号线东门路车站为例，分析近接上跨既有隧道车站施工的难点，维护结构咬合桩采用全回转施工工艺进行施工，保证了既有线区间的安全；并提出了抽条分仓开挖的盖挖逆作施工方法，在保证隧道安全开挖的同时，有效防止了近接施工既有隧道的上浮。另外通过有限元软件MidasGTS对车站框架结构进行数值模拟并进行抗浮验算，车站顶板跨中和底板边墙具有较大的弯矩和剪力，需要加强配筋，车站整体结构满足抗浮要求，有效指导车站安全施工。
关键词：盖挖法；上跨；既有线；抽条开挖；数值模拟
Research on the construction technology of cover excavation of subway station in overpass existing tunnel
Yuan Qinglin
(China Railway 14th Bureau Group Co. Ltd. ，Jinan Shandong 250000 ，China)
Abstract：Taking Dongmen Road Station of Shenzhen Urban Rail Transit Line 5 as an example, this paper analyzes the difficulties in the construction of the metro station adjacent to and over existing tunnel, the construction of the occluding pile of the maintenance structure is carried out with full rotary construction technology, which ensures the safety of the existing line and puts forward the cover-cut construction method of strip excavation. At the same time, it can effectively prevent the floating of the existing tunnel. In addition, the finite element software MIDAS GTS is used to simulate the frame structure of the station, and the anti-floating checking calculation is carried out. The station roof midspan and bottom plate side wall have large bending moment and shear force, so it is necessary to strengthen the reinforcement. The overall structure of the station can meet the anti-floating requirements and guide the safe construction of the engineering.
Key words：cover-cut excavation; on the cross , existing lines; strip excavation; numerical simulation.
1引言
随着经济与城市化的快速发展，城市地铁修建成为解决交通拥堵的重要解决手段，而由于城市空间的有限，地铁修建过程中新建隧道、车站会不可避免地下穿、侧穿或上跨既有隧道，对施工技术提出了巨大的挑战[1-3]。
盖挖法具有对地面交通影响小、施工安全的优点逐步替代明挖而成为城市地铁车站修建的主流方法[4]。欧阳东[5]针对武汉地铁7号线超深车站施工方法进行了比选，在盖挖法基础上开拓了“先逆后顺再拓”的新型工法，保证了施工安全。郭洋洋等[6]以成都地铁5号线青羊宫基坑为例，通过数值模拟分析了盖挖法对基坑的影响，提出了盖板刚度对支护和沉降抑制的重要作用。李强等[7]分析了地铁车站深基坑开挖方法的优选，探索了适用于盖挖顺作的台阶式纵向开挖方法，以及适用于盖挖逆作的分块抽条方法，保证了施工安全和确保周边建筑物（既有线路）的安全。刘宝奎等[8]分析了盖挖逆作车站主体基坑开挖施工难点，联合盖挖逆作和明挖顺作的出土方案，提出了合理的开挖出土技术，施工工艺进行了优化。
关于基坑开挖对下方隧道的影响，左自波等[9]通过数值模拟分析了国内26个工程案例，提出了上部基坑开挖对下方双线既有隧道的影响更加显著，并提出了修正经验公式，指导实际施工。宗翔[10]基于Kerr地基梁理论分析了基坑开挖卸载对下方既有隧道的影响，并提出了解析分析方法，提供了施工依据。李强[11]分析了高速铁路隧道通过盖挖法施工近接下穿高速公路的案例，提出了分区域施工的重要概念，保障施工安全的同时对地面交通的影响降到最小。
本文以深圳市城市轨道交通5号线东门路车站为背景，深入分析了车站近接上跨既有隧道围护结构施工、基坑开挖施工及车站结构施作过程的难点，提出了上跨段围护结构采用咬合桩施工工艺（采用全回转钻机进行成孔）；土方开挖阶段为有效控制既有线上浮提出了抽条分仓开挖的施工手段，并在分仓内施做抗浮压梁（抗浮压板）的“板凳梁”方法。并对施工后的车站整体结构进行数值模拟，分析结构稳定性与抗浮验算，保证了整个工程的顺利进行。
2工程概况
东门路站为地下二层岛式车站。车站总长度236m，标准段宽21.4m。站台长140米，宽12米。车站覆土厚度5.1~5.9m。主体采用盖挖逆作法施工，附属采用明挖法+暗挖法施工。车站周边建筑物密集，车站上跨既有地铁2号线既有隧道，车站底板距离2号线拱顶距离为4~6m，位置关系如图1所示。
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图1东门路车站与周边建筑物位置关系
东门路车站所在地层地质条件从上到下依次为：杂填土、淤泥质黏性土、砾砂、黏性土、全风化岩、强风化岩、中风化岩和微风化岩，局部有碎裂岩。地质剖面图如图2所示，本工程地下水主要有两种类型：一是第四系地层中的孔隙潜水，主要赋存于冲洪积砂卵石层和残积层中；另一类为基岩裂隙水，主要赋存于块状强风化、中等风化带及构造带裂隙中，略具承压性。
3围护结构施工
当车站位于城市主干道的交通要道上，城市交通不容许长时间封路改道时，一般采用盖挖法施工。盖挖车站的围护结构，可采用地下连续墙、钻孔灌注桩、咬合桩等支护型式。东门路站临近上跨既有线，因此围护结构采用全套管咬合桩，以减少围护结构施工过程中对既有线的影响。
围护结构施工完成后施工立柱、顶板、顶纵梁，回填恢复路面后，逆作施工主体结构。本文将重点介绍临近上跨既有线全套管咬合桩施工情况。
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图2车站地质纵剖图
3.1全套管咬合桩施工
咬合桩是采用钻孔灌注桩相互咬合形成的挡土截水结构，如图3所示，其施工工艺采用全套管钻进、干式成孔。施工进度快，无泥浆污染，且对基坑周边既有建筑物影响小，在深圳地铁一期、二期工程中取获得了成功经验。采用钻孔咬合桩，按成桩先后分为一序桩、二序桩，一序桩为低标号缓凝型混凝土桩，二序桩为钢筋混凝土桩（主受力桩），两桩相互咬合，既能挡土又能止水，能满足各种等级基坑变形要求。该方案优点：对地质条件、基坑深浅等条件适应性好；施工技术成熟，防水效果好；适用范围较广。
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图3咬合桩施工工序
东门路站北侧围护结构临近上跨既有2号线盾构区间，其中咬合桩的桩底标高与既有线的垂直距离仅为2m，施工风险极大，为降低现场施工风险，减少对既有线的扰动，在临近上跨既有线围护结构支护形式选择咬合桩。
咬合桩在临近及上跨2号线施工过程中，无论是在护筒掘进还是冲抓成孔（旋挖钻成孔），都会对既有线产生较大的风险，具体的风险应对措施详见表1。
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图4咬合桩既有2号线区间的位置关系图
表1围护桩施工对既有线存在的风险分析及应对措施
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3.2钻孔灌注桩施工
钻孔灌注桩作为盖板施工期间，基坑开挖支护的临时围护结构。该法是应用比较广泛的一种基坑支护型式，支护结构是钢筋混凝土桩体。其优点是：桩体刚度较大，控制基坑变形好、施工工艺较简单、桩体可以作为永久结构的一部分。其缺点是自身没有止水能力，需要通过辅助止水帷幕止水。
东门路站钻孔灌注桩顺序主要采用“跳三钻一”，分三序进行，见示意图所示，首先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔。
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图5钻孔施工顺序示意图
3.3高压旋喷桩施工
钻孔灌注桩没有止水功能，需要在灌注桩之间增加高压旋喷桩以达到围护结构止水的效果，保证基坑开挖过程的安全。
高压旋喷桩系利用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头的特制喷头，以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升(10cm～25cm/min)，使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度（大于1MPa）的圆柱固结体（即旋喷桩），从而使地基得到加固，也可以达到桩间止水的效果。
4盖挖法土方开挖施工
4.1盖板施工方案
在围护结构、中立柱、降水井施工完成后，才具备盖板土方开挖的条件。开挖盖板土方采用机械开挖，在开挖至盖板底30cm时采用人工清底，施工盖板结构土模、施工盖板、回填土方恢复道路。
利用竖井出土口开挖负一层土方、施工负一层中板、负一层侧墙，开挖负二层土方，施工负二层底板、负二层侧墙，常规的盖挖逆作法车站本文不在赘述，本文将重点介绍在临近上跨既有2号线盖挖逆作的施工方法。
4.2上跨既有隧道基坑抽条分仓开挖
由于东门路车站距离既有2号线隧道拱顶距离仅有4-6m，土方开挖导致既有隧道上部土体应力减小，极易引起隧道的上浮。为减小对既有隧道的影响，在上跨段采取抽条分仓的开挖方式进行负二层土方的开挖。具体施工方案如下：
车站上跨既有隧道的区域全长110m，负二层开挖直至距离底板6m位置分两批竖井进行施工，其中第一批竖井为9个，竖井采用倒挂井壁法施工，为减少竖井开挖过程中的“群洞效应”第一批竖井开挖先采用跳井开挖，待既有线监控量测数据稳定没有异常时，开始全面启动开挖。第一批竖井开挖至基坑底后，在竖井底及时施工“板凳梁”（抗浮压梁）以及“板凳梁”以外的抗浮压板，利用抗拔桩、“板凳梁”限制既有盾构区间上浮。
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（1） （2）
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（3） （4）
图6抽条分仓开挖示意图
待第一批竖井内的“板凳梁”混凝土强度达到设计要求后，并结合既有线实时监控量测的结果，启动第二批竖井的开挖，同样的步骤施工第二批竖井内的“板凳梁”。在第一批、第二批竖井内的“板凳梁”及抗浮压板施工完成后，结合既有线区间隧道的监控量测数据，开始开挖剩余土方，最后施作车站底板。具体详见图6~图8：
5车站主体框架结构数值模拟
5.1主体结构尺寸参数设定
主体结构采用现浇整体式框架结构，根据建筑布局特点，标准段采用单柱双跨、局部双柱三跨结构。根据车站结构型式及所处地形、地质情况，拟定主要结构尺寸如下表2所示。
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图7抽条分仓开挖施工步骤
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图8抽条开挖基坑剖面图
表2主体结构参数表
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5.2计算图示及荷载
车站主体结构计算按底板作用在弹性地基上的平面闭合框架结构进行内力分析。考虑结构自身荷载、水土压力荷载、地震荷载及运营阶段荷载等组合荷载，数值模拟模型的各种荷载分布见图9。
结构所承受荷载包括永久荷载、可变荷载及偶然荷载，结构计算中将上述荷载按最不利情况进行工况组合。其中正常使用状态采用水土分算。车站盖挖结构采用现浇整体式框架结构，与围护结构形成复合结构。使用阶段考虑围护结构咬合桩参与车站抗浮，并与主体结构侧墙共同承受车站侧向水土压力，其中侧墙承受全部侧向静止水压力，地下连续墙承受全部侧向水土压力与静止水压力之间的差值。具体荷载情况：地面超载20KPa；覆土取20kN/m3；钢筋混凝土自重取25kN/m3，装修层自重取22kN/m3，设备自重按8kPa恒载考虑，设备房隔墙等效为7kPa恒载，人群活载按4kPa考虑，最高水位取为地面，采用水土分算模式。选取上跨既有隧道距离最小的4m的剖面1-1进行计算，覆土厚度5.433m，基坑深度20.673m，利用MidasGTS建立每延米的平面模型进行计算。
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图9车站使用阶段荷载示意图
5.3计算结果
车站近接既有隧道距离最小1-1剖面的结构内力图如图10~图12所示，最大弯矩出现在单跨顶板跨中位置，最大正弯矩972.5kN.m，最大负弯矩出现在底板墙端位置，为-2026kN.m。通过剪力图和轴力图可以看出，最大剪力同样出现在底板墙端处，为1463kN，而最大轴力出现在负二层的中间立柱，为1768KN。顶板跨中和底板边墙弯矩和剪力较大，该部位需要加强配筋，提高结构强度。
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图10剖面1-1结构弯矩图
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图11剖面1-1结构剪力图
5.4抗浮验算
主体结构自重计算（车站面积5440m2，周长531m，结构高度15.24m），顶板、中板、底板、侧墙共计474649kN，覆土浮重G1=4.29×5440×10=233376kN，水浮力G2=15.24×5440×10=829056kN，抗拔力G3=8×5248+5×8482+5×3416+22×6441+2×9339=261854kN，（G结构+G覆土+G水浮力+G抗拔力）/G水浮力=969879/829056=1.17≥1.15，满足要求。
6结束语
以深圳地铁5号线东门路车站施工为例，研究近接上跨既有隧道的地铁车站盖挖法施工方法，并对框架结构力学变形特性进行数值模拟，得到如下结论：
（1）临近上跨既有区间上方的钻孔灌注咬合桩采用全回转钻机进行施工，该工艺对既有线影响较小、能够保证施工过程用既有线的安全；
（2）咬合桩施工过程中，通过对既有线的实时监测，及时反馈既有线上浮数据，有效的指导现场围护结构施工。
（3）车站上跨既有隧道段土方开挖采取抽条分仓开挖方法，在竖井内施工“板凳梁”（抗浮压梁）、抗浮压板，通过模拟计算能够满足基坑开挖阶段既有区间隧道上浮问题，施工过程中需要加强监控量测，依据监控量测的数值指导现场施工。
（4）通过有限元软件MidasGTS对车站整体框架结构的力学变形特征进行数值模拟，顶板跨中和底板边墙属于薄弱位置，需要加强配筋，现场施工过程中要重点管控上述部位的施工质量。另外通过抗浮验算，结构满足要求，为车站施工提供了理论指导。
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图12剖面1-1结构轴力图
参考文献
[1]何华武.中国铁路隧道建设技术的发展[J].铁道经济研究,2006(6): 8-16.
[2]赵勇,肖明清,肖广智.中国高速铁路隧道[M].北京:中国铁道出版社2016.
[3]钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策[J].岩石力学与工程学报,2012,31(10):1945-1956.
[4]刘星.上跨轨道交通盾构区间的隧道工程施工风险及控制研究[D].湖南大学,2019.
[5]欧阳冬.“公铁合建”超深车站施工方法比选研究[J].都市快轨交通:1-7.
[6]郭洋洋,有智慧,王正振,等.明挖与盖挖结合法对地铁车站基坑支护结构变形影响研究[J].施工技术,2019,48(13):94-99.
[7]李强,詹必雄,吴字,等.盖挖地铁车站深基坑土方开挖施工技术[J].施工技术,2019,48(19):124-126.
[8]刘宝奎,尚艳亮,隆卫,等.城市繁华区大规模T形盖挖地铁车站基坑开挖出土技术研究[J].施工技术,2020,49(07):9-12+103.
[9]左自波,黄玉林,吴小建,等.基坑施工对下方双线地铁隧道影响的数值模拟[J].北京交通大学学报,2019,43(03):50-56.
[10]宗翔.基坑开挖卸载引起下卧已建隧道的纵向变形研究[J].岩土力学,2016,37(S2):571-577+596.
[11]李强.高速铁路隧道超浅埋下穿高速公路盖挖法修建技术研究[J].现代隧道技术,2020,57(03):161-166.
[12]黄友发，深基坑临近既有线近接施工技术探讨[J].工程技术与应用，2019（16）：61-63.