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１工程概况
１.１工程规模及环境特点
郑州地铁４号线会展中心站为地下三层１４ｍ双柱岛式结构，垂直原有车站方向布置，车站总长１６７．０２ｍ。１号线会展中心站为地下两层站，施工时已预留与４号线换乘条件，既有１号线负二层底板为现在４号线负三层中板，１、４号线之间在地下三层实现换乘，长度为２３．７ｍ。
１.２工程地质及水文地质条件
工程施工涉及地层主要有人工填土、粉土、粉质黏土、粉细砂等土层。本场地地下水位埋深约为９．２ｍ，暗挖段主要位于埋深２０．５～３２．９ｍ的粉砂层，为微承压水中－强透水层，承压水头约５ｍ。
１.３下穿施工设计方案
１）１号线车站设计和施工时考虑到后期换乘的需要，在换乘节点位置底板下设置了两排８００ｍｍ厚地下连续墙，底板预留了打开条件，框架柱下设置了钢管柱，钢管柱下预留直径２０００ｍｍ支撑桩，插入基底深度２５ｍ。２）首先对换乘节点土体进行水泥－水玻璃双液浆注浆加固，下穿１号线暗挖段临时支护采用工２０ａ型钢钢架，钢架间距０．５ｍ，钢架与既有１号线地连墙采用植筋连接，挂设ϕ８单层钢筋网，喷射３０ｃｍ厚Ｃ２５混凝土，径向打设ϕ２２ｍｍ砂浆锚杆，间距１ｍ×０．５ｍ梅花型布设，拱腰、拱脚均设２根ϕ４２ｍｍ锁脚锚管，长度为３．０ｍ。采用上下台阶法开挖，台阶距离按５ｍ控制。３）暗挖施工采用分部导洞作业，具体施工步序如图１：（ａ）上下台阶开挖左侧部分，做中隔墙及喷混；（ｂ）施工左边底板及侧墙结构；（ｃ）上下台阶开挖右侧部分，施作中隔墙及喷混；（ｄ）施工右侧底板及侧墙；（ｅ）上下台阶分部开挖中部，施工中部底板；（ｆ）拆除中隔墙，施工结束。
２下穿施工数值模拟及变形分析
２.１数值计算模型
为预测下穿施工过程中既有结构的变形规律和量值，寻找施工变形的关键控制工况，为后期施工方案优化和技术比选提供理论依据，研究中采用有限差分程序对下穿施工过程进行了三维数值模拟。根据工程实际情况，建立模型，共剖分５９１０３９个单元。地面设置为自由端，其他面采用法向约束。根据地勘资料和结构材料属性，确定地层和结构物理力学参数。
２.２施工过程数值模拟
１）下穿既有线工程主要包括端头井基坑施工、暗挖下穿与４号线主体结构施工。２）下穿段采用由南向北的施工。３）暗挖段施工模拟时，开挖方法为六导洞上下台阶法，并施作喷混、支撑，导洞开挖完成后施作换乘站混凝土底板及侧墙。
２.３下穿施工对既有车站轨道道床变形影响
１）既有线道床隆沉变形。新建车站施工对既有车站道床轨道竖向位移的影响，可通过监测既有车站左（北侧）、右（南侧）两条线路上４条轨道位置处节点的竖向位移，得出原有线路在作业过程中轨道变化情况。２）既有线路道床水平变形。暗挖下穿施工时，道床水平变形出现回弹减小现象；４号线主体结构施工后，受其自重和结构特征影响，道床产生指向端头井方向变形，变形值增大，但量值微小，最大水平值为０．３８ｍｍ。６６
３暗挖下穿既有车站变形控制基准
３.１基于既有线行车安全的结构变形控制标准
《城市轨道交通结构安全技术保护规范》（ＣＪＪ／Ｔ２０２－２０１３）中对外部工程施工引起的既有轨道及地铁隧道结构允许变形做出如表１所示规定。
３.２基于既有车站结构安全的变形控制标准
不同施工阶段极限状态下所对应的最大竖向变形统计结果如表２所示。从计算结果可以看出，施工过程中，既有车站结构底板隆起控制最不利阶段为端头井基坑开挖阶段，允许隆起限值为９．８ｍｍ；沉降控制最不利阶段为暗挖下穿施工完成阶段，允许沉降限值为２０．９ｍｍ。根据表２计算结果，并假定既有车站轨道变形与道床结构一致，由数值计算得到各施工阶段极限状态下对应的轨道差异变形，如表３所示。３）下穿施工位移管理标准。将端头井基坑开挖施工和下穿施工作为关键施工控制工况，并制定“双控型”变形控制标准。为安全起见，施工过程中可将道床最大允许沉降１５ｍｍ、最大隆起５ｍｍ和轨道最大允许轨向高差１．５ｍｍ、最大允许横向高差２．０ｍｍ作为施工控制限值，采用极限位移值的７０％作为施工过程相应的预警值，实现施工过程位移（变形）分级管理。
４下穿施工变形现场监测
４.１道床变形测点布置
为保证施工安全，选择下穿段上部１号线结构ＤＫ２５＋０９３～ＤＫ２５＋２０８之间１１５ｍ范围，对施工期间道床沉降进行了实时监测，共布设了２１个监测断面、４２个测点。
４.２数值模拟结果现场印证
选择暗挖段施工结束后道床沉降变形为对比指标，左右线道床沉降变形规律基本一致，数值相差较小，误差主要是由于数值计算无法完全模拟复杂的施工现场情况引起的；印证了以数值计算结果为基础建立的施工位移管理基准是实际可行的。
４.３道床变形模拟与实测结果综合分析
选取监测里程范围内暗挖段上方ＤＫ２５＋１４３、ＤＫ２５＋１５３、ＤＫ２５＋１６３三个断面上对应左线和右线道床上监测点的数据进行分析，绘制了各个施工阶段完成后测点处既有线路竖向变形和水平位移的曲线，如图２、图３所示（为方便描述，图中横坐标施工阶段中１为换乘节点注浆、２为左侧导洞开挖及支护、３为右侧导洞开挖及支护、４为中间洞门剩余地连墙破除、５为中间底板混凝土浇筑）。综合数值模拟和监测数据可得：①随着换乘段暗挖施工的开展，左线道床主要以沉降变形为主，右线道床以隆起变形为主，最大沉降量为１．２３ｍｍ、最大隆起量为１．７８ｍｍ，竖向变形满足变形控制标准。②左线道床水平位移施工阶段３达到最大值，为０．６ｍｍ；右侧道床水平位移于施工阶段４达到最大值，为１．１２ｍｍ，水平向未达到预警指标。综上，下穿施工不会对既有线路的运营和结构安全造成影响。
５结语
下穿施工中不同阶段既有车站主体结构（底板道床）变形的数值模拟表明，其中最大隆起值为１．５ｍｍ，出现在基坑开挖完毕阶段，最大沉降值为２．２ｍｍ，出现在暗挖下穿施工结束后。文章提出的既有车站结构双控型变形控制基准确定方法，为类似工程问题提供了新的解决思路，可供相关工程借鉴。
参考文献：
［１］郭亮．大洞径暗挖隧道下穿国铁站场地层沉降控制标准及措施研究［Ｄ］．西安：长安大学，２０１４．
［２］吴昊天．矩形隧道零距离下穿运营地铁车站结构变形规律与控制方法研究［Ｄ］．济南：山东大学，２０１７．
作者:黄章君 韩现民 谭建兵 王康 李文江 单位:中铁隧道集团二处有限公司 石家庄铁道大学土木工程学院