下穿大型鐵路站場(chǎng)的地鐵車站施工對(duì)線路變形影響的監(jiān)測(cè)分析

1、下穿大型鐵路站場(chǎng)的地鐵車站施工對(duì)線路變形影響的監(jiān)測(cè)分析摘要：受南京鐵路站場(chǎng)的制約，地鐵南京站主體結(jié)構(gòu)被分割為南側(cè)明挖區(qū)、過(guò)站區(qū)和北側(cè)明挖區(qū)等三個(gè)部分，過(guò)站區(qū)在既有南京鐵路站場(chǎng)下方，其結(jié)構(gòu)型式為雙線分離式隧道，隧道跨度大、埋深淺、線間距小，采用暗挖礦山法構(gòu)筑。在既有鐵路線下修建地鐵車站，必須嚴(yán)格控制線路沉降。通過(guò)在地表線路和便梁支墩上布置沉降測(cè)點(diǎn)并跟蹤施工進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探討地鐵過(guò)站隧道施工對(duì)地表線路變形的影響。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：鐵路線路加固措施和過(guò)站隧道施工方案是合理可靠的。同時(shí)也通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，提出關(guān)于類似工程施工的一些建議。關(guān)鍵詞：地鐵隧道工程；下穿既有鐵路站場(chǎng)；礦山法；線路沉降監(jiān)測(cè)1 引

2、 言 南京地鐵 1# 線的南京站是國(guó)內(nèi)首次在既有鐵路站場(chǎng)下采用礦山法施工的地鐵車站，受南京鐵路站場(chǎng)制約，地鐵南京站被分割為南區(qū)、北區(qū)和過(guò)站區(qū) 3 個(gè)部分(見(jiàn)圖 1)，南區(qū)、北區(qū)為雙層明挖箱型框架結(jié)構(gòu)，過(guò)站區(qū)在既有南京鐵路站場(chǎng)下方，下穿鐵路南京站三個(gè)站臺(tái)和第 IVIII 股道線共 8 條股道，其中 II 道和 VIII 道為京滬鐵路上下行正線，其余則為站線。過(guò)站區(qū)結(jié)構(gòu)型式為雙線分離隧道，隧道跨度大、埋深淺、線間距小，采用暗挖礦山法構(gòu)筑。國(guó)外也有在既有鐵路站場(chǎng)下修建地鐵車站的例子，但是并不是采用暗挖法施工1。國(guó)內(nèi)只有廣州地鐵2# 線(火車站三元里)隧道下穿廣州火車站站場(chǎng)的工程2與本工程有類似之處，

3、但是廣州地鐵 2# 線區(qū)間隧道下穿廣州火車站站場(chǎng)采用的是盾構(gòu)法穿過(guò)，從施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)程度來(lái)看均小于本工程。由于南京站為大型鐵路樞紐站場(chǎng)，京滬鐵路又是國(guó)內(nèi)最重要的 I 級(jí)繁忙鐵路運(yùn)輸干線之一，每天通過(guò)和到發(fā)列車達(dá) 170 對(duì)，因此在過(guò)站區(qū)施工過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制線路路基沉降，確保南京鐵路站場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)和通過(guò)列車的行車安全。而掌握過(guò)站區(qū)施工對(duì)線路影響最直接的手段是對(duì)線路路基和便梁支墩的沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度和支護(hù)參數(shù)。2 工程概況2.1 過(guò)站區(qū)隧道結(jié)構(gòu)型式 地鐵南京站過(guò)站區(qū)結(jié)構(gòu)型式為暗挖雙線分離式車站隧道，設(shè)計(jì)范圍 K14+200.32K14+266.88，埋深 6.6

4、98.06 m，單洞長(zhǎng)度均為 66.56 m，隧道開(kāi)挖高度 9.546 m，跨度 11 m，2 條隧道中心線間距15.46 m，中間設(shè)有兩條橫通道相連。地層自上而下主要為：雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土、混合土、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖。但是過(guò)站區(qū)洞身主要穿越混合土、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖地層，圍巖主要為 IIIII 類圍巖，過(guò)站區(qū)隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，過(guò)站區(qū)隧道斷面形式見(jiàn)圖 2。2.2 隧道施工前線路加固措施和隧道施工方法簡(jiǎn)介 過(guò)站區(qū)隧道施工前，對(duì)隧道地表鐵路線均采用D24 型便梁進(jìn)行加固。兩隧道外側(cè)便梁支墩采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)；兩隧道間的便梁支墩采用 12.5 m2.5 m 箱形涵，并在箱形涵內(nèi)設(shè)置

5、靜壓鋼筋混凝土方樁，鋼筋混凝土方樁壓深至隧道底部 0.00 m處(見(jiàn)圖 3)。隧道開(kāi)挖前在南、北兩端超前施作 159mm 長(zhǎng)大管棚。隧道施工方法為 CRD 法，每個(gè)斷面分四部開(kāi)挖3。開(kāi)挖時(shí)從北向南單向推進(jìn)，先左線后右線，并且左線超前右線 1520 m。關(guān)于線路加固的安全性檢算及詳細(xì)的過(guò)站區(qū)施工技術(shù)見(jiàn)文4。3 便梁支墩和線路的沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置 盡管在隧道開(kāi)挖之前用D24型便梁將線路托起加固，并且在隧道開(kāi)挖前于隧道拱頂位置打入大管棚加固地層。有關(guān)研究結(jié)果表明：在既有鐵路站場(chǎng)下進(jìn)行如此大斷面的隧道施工在國(guó)內(nèi)尚屬首次。為確保行車安全和地表鐵路站場(chǎng)的正常運(yùn)營(yíng)，必須嚴(yán)格控制過(guò)站區(qū)隧道開(kāi)挖引起的地層沉降和線

6、路沉降。為此，過(guò)站區(qū)施工期間，在線路股道中間和便梁支墩上均布置了沉降測(cè)點(diǎn)。隨隧道開(kāi)挖進(jìn)程對(duì)地表線路沉降和便梁兩側(cè)的支墩沉降進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整開(kāi)挖進(jìn)尺和支護(hù)參數(shù)。 根據(jù)線路股道、便梁架設(shè)情況和隧道位置，每股道布置 11 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中在便梁的三座支墩頂面設(shè)置 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)(編號(hào)為：GC802，GC806 和 GC810)，另外編號(hào)為 V 和 VII 的股道路基測(cè)點(diǎn)位置正好與左右線隧道拱頂位置上下相對(duì)應(yīng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置詳見(jiàn)圖 4。其中測(cè)點(diǎn)編號(hào)說(shuō)明如下：GC801GC811 表示第VIII股道由北京至上海方向的股道沉降測(cè)點(diǎn)編號(hào)，其中“GC”表示股道沉降，后面第 1 位數(shù)字表示第 VIII

7、 股道，再后面的兩位數(shù)字表示該點(diǎn)在本股道的編號(hào)，其他股道依次類推。4 隧道掘進(jìn)與地表沉降分析 過(guò)站雙線隧道采用 CRD 法分步施工，左線優(yōu)先，右線滯后。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：隨著隧道掘進(jìn)斷面的加大，地表沉降量及其沉降速率也隨之增加。以隧道拱頂對(duì)應(yīng)的地表第 VIII 股道 GC805 和 GC807測(cè)點(diǎn)為例，沉降量和速率見(jiàn)表 1。 雖然在隧道施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)的拱頂?shù)乇碜畲蟪两邓俾试欢冗_(dá) 2.5 mm/d(2003 年 7 月 30 日7月 31 日)，但仍遠(yuǎn)小于線路變形預(yù)警值(15 mm/d)，加上有便梁防護(hù)，該沉降并不直接影響到線路變形，所以對(duì)鐵路行車安全性影響不大。但是為確保線路運(yùn)營(yíng)安全，在隨后的

8、隧道掘進(jìn)時(shí)，采用了縮小開(kāi)挖進(jìn)尺、架立密排格柵等措施，地表沉降速率得到了控制。5 便梁支墩沉降和線路沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析5.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果 以第 VIII，VII 股道測(cè)線上的便梁支墩(GC802，GC806和GC810)和左、右線隧道拱頂(GC805，GC807)的 5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降為代表，將沉降數(shù)據(jù)和隧道掘進(jìn)進(jìn)度之間的關(guān)系如表 2，3 所示。5.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析 (1) 由上述關(guān)系表可知：左線隧道完成拱部掘進(jìn)后，在相應(yīng)的拱頂?shù)乇懋a(chǎn)生的沉降值約占該測(cè)點(diǎn)最終穩(wěn)定沉降值的 36%42%，左線隧道完成全斷面掘進(jìn)，在相應(yīng)的拱頂?shù)乇懋a(chǎn)生的沉降值約占該測(cè)點(diǎn)最終穩(wěn)定沉降值的 67%80%；在滯后的右線隧道完成拱

9、部掘進(jìn)后，該測(cè)點(diǎn)增加的沉降值約占24%23%，而待滯后的右線隧道完成全斷面掘進(jìn)，該測(cè)點(diǎn)增加的沉降值僅占 8%?？梢?jiàn)在便梁防護(hù)下，雙線隧道掘進(jìn)時(shí)，先掘進(jìn)的左線隧道在地表產(chǎn)生的沉降值占了總沉降值大部分，而在滯后的右線隧道完成拱部掘進(jìn)后，地表沉降就接近最終的穩(wěn)定沉降值。 (2) 便梁支墩沉降分析 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：便梁中間支墩的沉降值均大于便梁兩邊支墩的沉降值，但沉降量和沉降速率均未達(dá)預(yù)警值，說(shuō)明便梁支墩是安全的。 中支墩的箱涵基礎(chǔ)雖然強(qiáng)于邊支墩擴(kuò)大基礎(chǔ)，但其受兩側(cè)隧道開(kāi)挖影響，因此其地基受隧道掘進(jìn)影響遠(yuǎn)大于邊支墩，所以防止雙洞隧道間的巖土柱失穩(wěn)坍塌對(duì)安全至關(guān)重要。 (3) 這里需要說(shuō)明的是：在隧道施工

10、至第 III 道時(shí)，卻出現(xiàn)了例外情況，左支墩沉降值(17 mm)大于中支墩沉降值(14.6 mm)，其沉降速率達(dá) 1.2 mm/d，而中支墩沉降速率僅 0.11 mm/d。由于荷載、線路加固與施工方法基本相同，推測(cè)應(yīng)系地質(zhì)情況造成(便梁支墩位置未進(jìn)行地質(zhì)勘探)。所以建議今后類似工程的施工中，應(yīng)查明便梁支墩位置的地質(zhì)情況，以確保便梁支墩安全。6 線路沉降基本穩(wěn)定后的沉降量和沉降曲線 當(dāng)線路股道沉降基本穩(wěn)定后(沉降速率0.1mm/d ) 各測(cè)點(diǎn)的沉降值見(jiàn)表 4。 以第 VIII 股道和第 II 股道正線為例，繪制沉降曲線圖，如圖 5，6 所示。 (1) 從表 4 和圖 5，6 中可見(jiàn)，各股道的地表

11、沉降與隧道拱頂相對(duì)應(yīng)出現(xiàn)馬鞍狀的雙峰值，且在列車荷載基本相同，支墩形狀和尺寸一樣的情況下，各股道的沉降值差異很大，分析其原因，本文認(rèn)為主要是各股道的地質(zhì)情況差異造成的。 (2) 在同一股道，左右線隧道的沉降峰值也差異很大，監(jiān)測(cè)資料表明：地表沉降峰值除第 VIII 股道左右線基本相等外，其他各股道均呈現(xiàn)左線隧道地表沉降大于右線隧道地表沉降(約大 110%230%)，其原因主要是先掘進(jìn)左線隧道后掘進(jìn)右線隧道(滯后約 1520 m)。7 地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算(工程類比推算)數(shù)據(jù)比較 2002 年 8 月南京地鐵有限責(zé)任公司曾委托同濟(jì)大學(xué)對(duì)過(guò)站區(qū)隧道施工對(duì)京滬鐵路行車安全性的影響從理論上進(jìn)行分析

12、研究，計(jì)算出在便梁防護(hù)下的地表和便梁支墩最大沉降值；同時(shí)北京交通大學(xué)科研組采用工程類比法對(duì)地表和便梁支墩最大沉降值進(jìn)行推算，見(jiàn)表 5。 (1) 從表 5 中可見(jiàn)，無(wú)論是理論計(jì)算還是工程類比推算值與實(shí)測(cè)值都相差較大，分析其原因由于南京站地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，差異大，再加上地質(zhì)報(bào)告中土的物理力學(xué)參數(shù)本身離散性較大。 (2) 在列車荷載、施工工藝與線路加固基本相同的情況下，初期支護(hù)完成后各股道沉降的實(shí)測(cè)值離散度較大，說(shuō)明由于地質(zhì)情況不同使地表沉降差異較大，所以確保安全性的關(guān)鍵在于施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，采取信息化施工，以確保鐵路行車和隧道施工安全。8 結(jié) 論 (1) 因隧道施工造成的地表和便梁支墩沉降，由于有便

13、梁防護(hù)，隧道拱頂?shù)乇懋a(chǎn)生的最大沉降量及其速率并不直接影響軌道的幾何狀態(tài)和行車安全，實(shí)踐證明線路加固方案是合理的。 (2) 支墩沉降量隨隧道施工工序和進(jìn)度逐漸增大并達(dá)到峰值，這是一漸變過(guò)程，通過(guò) D24 便梁加固只要保證其支墩的安全性，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)便梁及其線路的監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)，便可以確保鐵路行車安全和隧道施工安全的。 (3) 在下穿既有線施工過(guò)程中，要重視支墩沉降和軌道線路的沉降監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工工序和隧道支護(hù)參數(shù)。參考文獻(xiàn)(References)：1 Seishi S，Shoichi F. Construction of a subway tunnel just beneath aco

14、nventional railway by means of large-diameter long pipe-roof methodJ. North American Tunneling，1996，(1)：473481.2 洪開(kāi)榮. 盾構(gòu)隧道穿越廣州火車站站場(chǎng)的設(shè)計(jì)與施工J. 現(xiàn)代隧道 技 術(shù) ， 2002 ， 39(6) ： 34 37.(Hong Kairong. Design andconstruction of shield driven tunnel crossing the station yard of Guangzhou railway stationJ. Modern Tunneling Technology，2002，39(6)：3437.(in Chinese)3 施仲衡. 地下鐵道設(shè)計(jì)與施工M. 西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.(Shi Zhongheng. The Design and Construction for MetroM.Xian：Shaanxi Science and Technology Press，2002.(in Chinese)4 李兆平，李銘凱，黃慶華. 南京地鐵車站下穿既有鐵路站場(chǎng)施工技術(shù)研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(6)：1 061