地鐵樞紐后建車站施工對(duì)既有地鐵的影響分析

蔣清國(guó)

隨著城市軌道交通樞紐的快速建設(shè),新建地鐵車站常臨近、緊鄰或緊貼既有運(yùn)營(yíng)地鐵車站。新線車站施工可能引起既有地鐵車站產(chǎn)生位移和變形,對(duì)既有車站的結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)營(yíng)造成影響。

近年來,一些學(xué)者對(duì)臨近、緊鄰或緊貼既有地鐵車站的施工影響問題進(jìn)行了研究[1-4],取得了一些有益的成果。但到目前為止,還沒有一套成熟的理論對(duì)該類問題進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。本文擬結(jié)合北京某地鐵工程實(shí)例,采用三維數(shù)值分析程序?qū)Φ湫偷氖┕げ襟E進(jìn)行全面的仿真模擬,通過計(jì)算、分析、比較,研究地鐵換乘樞紐后建車站施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵車站結(jié)構(gòu)及軌道變形的影響,為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

北京地鐵宋家莊站為既有5號(hào)線、10號(hào)線二期、亦莊線三線換乘車站,該站是北京現(xiàn)階段最大的地鐵樞紐站。5號(hào)線車站現(xiàn)已投入運(yùn)營(yíng),與新建10號(hào)線二期車站平行換乘,與新建亦莊線車站T形換乘,三站主體均為地下2層現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu),車站基坑深度約為15.7m,三站圍護(hù)結(jié)構(gòu)除10號(hào)線二期車站局部采用鉆孔灌注樁+3道鋼管內(nèi)支撐體系外,其他均采用鉆孔灌注樁+3道預(yù)應(yīng)力錨索體系。三站建成后將形成相互連通的大型換乘體系。

2 數(shù)值計(jì)算及分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

結(jié)合本工程的實(shí)際情況,計(jì)算模型上邊界取到地表,豎向共取40m,寬度取166m,縱向考慮車站長(zhǎng)度和邊界效應(yīng)取332m,建立的有限元計(jì)算模型如圖1所示。

地表取為自由邊界,其他5個(gè)面均采用滾軸約束。模型中采用實(shí)體單元模擬地層,板單元模擬圍護(hù)樁、車站底板、中板、頂板與車站邊墻,植入式桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索,梁?jiǎn)卧M車站柱子與橫撐。計(jì)算中采用不同的本構(gòu)模擬不同的材料,對(duì)于圍護(hù)樁、車站底板、中板、頂板與車站邊墻、預(yù)應(yīng)力錨索、車站柱子與橫撐等應(yīng)用線彈性本構(gòu),而各層土體采用莫爾—庫侖(M-C)本構(gòu)。地面超載按20kPa考慮。

數(shù)值分析中按施工實(shí)際逐步模擬基坑開挖、安裝與拆除錨索(架支撐)、主體結(jié)構(gòu)施作、覆土回填以及臨時(shí)隔墻的破除等施工過程,基坑開挖及車站主體施工考慮分段實(shí)施、流水作業(yè),模型僅分析10號(hào)線二期先于亦莊線實(shí)施工況。為了對(duì)后建車站施工過程中既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形有較全面的了解,計(jì)算中沿既有5號(hào)線車站縱向選取15個(gè)橫斷面,每個(gè)橫斷面上選取6個(gè)計(jì)算點(diǎn),見圖2,同時(shí),為研究地鐵軌道的變形,沿左、右線軌道方向分別取51個(gè)計(jì)算點(diǎn)。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖3,圖4分別給出了既有5號(hào)線結(jié)構(gòu)受10號(hào)線二期及亦莊線車站施工影響后的豎向及水平位移的變形云圖。圖3表明,受基坑開挖、土體回彈的影響,臨近新線基坑開挖部位的結(jié)構(gòu)底、中、頂板豎向變形較大,而遠(yuǎn)離基坑開挖的結(jié)構(gòu)豎向變形較小;圖4則顯示,受基坑開挖、單側(cè)卸載的影響,既有5號(hào)線車站結(jié)構(gòu)在只有單側(cè)基坑開挖的區(qū)段水平位移較大,而在兩側(cè)都有基坑開挖卸載的區(qū)段既有結(jié)構(gòu)的最終水平位移很小。

通過將模型中各斷面計(jì)算點(diǎn)在不同施工步驟下的豎向位移及水平位移整理成曲線進(jìn)行分析、比較,可以得到兩種最具代表性的工況,即工況一:只有10號(hào)線二期側(cè)進(jìn)行基坑開挖及結(jié)構(gòu)施作;工況二:既有5號(hào)線兩側(cè)均進(jìn)行基坑開挖及結(jié)構(gòu)施作。

工況一中,緊鄰10號(hào)線二期基坑開挖側(cè)的4,5,6點(diǎn)結(jié)構(gòu)豎向變形較大,最大達(dá)到了約7 mm,而遠(yuǎn)離基坑開挖側(cè)的1,2,3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)底板豎向變形相對(duì)較小,約0.5 mm。施工過程中,由于基坑開挖取土卸載,坑底土體回彈,引起鄰近既有5號(hào)線結(jié)構(gòu)上抬,豎向位移逐漸增加,但隨著結(jié)構(gòu)底、中、頂板的施作以及覆土的回填,結(jié)構(gòu)及覆土自重使坑底土體重新壓縮,既有5號(hào)線結(jié)構(gòu)的豎向位移又逐漸減小,后期其他區(qū)段基坑及結(jié)構(gòu)的施工對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響很小,直至預(yù)留臨時(shí)隔墻(參與受力)的破除,由于車站結(jié)構(gòu)的平衡被打破,頂板在覆土作用下有向下的變形,而底板在地基反力作用下隆起量有所增加。從既有車站結(jié)構(gòu)的水平變形來看,各點(diǎn)的整體變化趨勢(shì)類似,且各點(diǎn)的水平位移增加主要集中在新線基坑開挖過程中,隨著新線結(jié)構(gòu)的施作及覆土的回填,由于新老結(jié)構(gòu)形成同一整體,共同承受兩側(cè)的土壓力,既有結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸趨于穩(wěn)定,整體看來,1,2,3,4點(diǎn)的水平位移均較小,而5,6點(diǎn)的水平位移相對(duì)較大,其中5點(diǎn)的水平位移最大,為5.8 mm,這說明土壓力引起的結(jié)構(gòu)側(cè)墻彎矩最大出現(xiàn)在中板附近,這與結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果是吻合的。

工況二中,既有結(jié)構(gòu)的豎向及水平變形規(guī)律與工況一基本相似,區(qū)別在于亦莊線車站基坑開挖及結(jié)構(gòu)施作對(duì)1,2,3點(diǎn)的豎向變形及水平位移影響較大,即在亦莊線車站基坑開挖步序中,1點(diǎn)豎向位移迅速增大,最大達(dá)到6.3 mm,由于2,3點(diǎn)距亦莊線基坑較近,豎向位移也較工況一要大,約為1.3 mm,相應(yīng)4,5,6點(diǎn)的最終豎向位移為7.1 mm;既有結(jié)構(gòu)水平位移量在亦莊線基坑開挖步序中有迅速減小的趨勢(shì),且各點(diǎn)的最終水平位移量均相對(duì)較小,最大為1.5 mm。

沿左、右線軌道方向所取計(jì)算點(diǎn)的豎向、水平位移曲線表明,右線軌道(臨10號(hào)線側(cè))的最大豎向變形約為1.13 mm,軌道的最大隆起位置處在車站的端頭,左、右軌的最大差異沉降約為0.1 mm;左線軌道(臨亦莊線側(cè))的最大豎向變形約為1.5 mm,軌道的最大隆起位置處在5號(hào)線兩側(cè)均有基坑開挖施工的區(qū)域,左、右軌的最大差異沉降約為0.3 mm;左、右線軌道的最終水平位移與車站結(jié)構(gòu)的整體水平位移基本相似,軌道最大水平位移約為3.2 mm,且左、右軌間的最終水平位移差很小。

3 結(jié)語

基于Midas-GTS軟件,通過建立模擬新線地鐵施工過程的三維模型,分析了地鐵樞紐后建車站施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵車站產(chǎn)生影響的工程實(shí)例,得到了如下幾條結(jié)論:1)地鐵樞紐后建車站施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵車站結(jié)構(gòu)及軌道會(huì)造成一定的影響,影響的大小與基坑開挖面距既有車站結(jié)構(gòu)的距離及對(duì)稱性有關(guān)。2)新線基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施作采用分段推進(jìn)的施工工序?qū)刂萍扔薪Y(jié)構(gòu)的變形是有利的。3)及時(shí)回筑新線主體結(jié)構(gòu)可減小既有結(jié)構(gòu)的水平位移及豎向變形。4)既有地鐵車站預(yù)留與新線的臨時(shí)隔墻(參與受力)的拆除對(duì)既有結(jié)構(gòu)的變形有影響,施工中應(yīng)得到重視。5)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)在新線車站施工過程中的水平位移以中板區(qū)域最大,底板處最小。6)雙側(cè)對(duì)稱基坑開挖對(duì)控制既有結(jié)構(gòu)的變形有利。7)新線地鐵施工對(duì)既有地鐵車站軌道的影響與軌道距基坑開挖面的距離成反比,且軌道水平位移的特征與主體結(jié)構(gòu)的變形基本一致。

[1]姚燕明,周順華,孫 巍,等.坑底加固對(duì)平行換乘車站基坑變形影響的計(jì)算分析[J].地下空間,2004,24(1):7-10.

[2]曾 遠(yuǎn),李志高,王毅斌.基坑開挖對(duì)鄰近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,8(4):642-645.

[3]姚燕明,孫 巍.深基坑開挖對(duì)共用連續(xù)墻的既有車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的空間分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(sup):1411-1414.

[4]王 印,高廣運(yùn),馮世進(jìn),等.深基坑開挖對(duì)相鄰地鐵車站影響的位移分析,巖土力學(xué)與工程新進(jìn)展[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2007:155-159.