在建地鐵車站對既有電力隧道的影響研究

顏 超 唐中杰 史蘇清 許光孝

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；2. 上海建工四建集團 有限公司 上海 201103；3. 上海申通軌道交通研究咨詢有限公司 上海 200070；4. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

上海軌交14號線大世界站上跨西藏南路電力隧道，該車站主體為地下2層箱形結構，主體規(guī)模為227.0 m×19.6 m（內徑），站臺中心處頂板覆土約2.48 m，底板埋深約15.62 m，車站與軌交8號線“T”形換乘，其中軌交8號線已建成投入使用，如圖1所示。

該隧道是采用頂管工法施工完成，外徑3.2 m，管節(jié)長2.0 m，壁厚250 mm，地鐵車站上跨電力隧道范圍內的管頂絕對高程為－13.098～－13.033 m，與地鐵車站標準段底板豎向凈距為0.878～0.813 m，如圖2所示。

鑒于車站主體與電力隧道的特殊位置，車站施工、結構底板的變形以及地鐵的振動荷載都會對隧道的安全產生極其不利的影響，因此對其保護措施進行研究具有重大 意義。

圖2 電力隧道處結構剖面

2 工程主要難點

1）電力隧道為混凝土材質的管節(jié)拼接而成，整體剛度較差，車站范圍內外的差異變形，容易導致管節(jié)接口 裂縫。

2）車站范圍內，基坑常規(guī)作業(yè)開挖至坑底時，隧道上方覆土約0.8 m，土層應力釋放，容易產生土體回彈、隧道上浮的情況。

3）根據上海軟土地區(qū)地下車站的變形特征，車站建成后受到地下水浮力作用，呈現(xiàn)上浮的變形趨勢，車站整體滿足抗浮工況，但底板的局部變形會對隧道變形產生 影響。

4）車站運營階段，電力隧道受地鐵振動荷載的影響，一旦出現(xiàn)較大變形，會對隧道的維護造成困難。

3 關鍵保護措施

3.1 土體加固

為減小加固施工對電力隧道周圍土體的擠壓變形，采用影響較小的MJS工法（φ2 400 mm@1 600 mm）對隧道范圍內的周邊土體進行加固處理，如圖3所示。

圖3 土體加固示意

1）在車站范圍內，距電力隧道外邊0.5 m，加固深度距電力隧道底3.0 m，鄰近軌交8號線端頭井地下連續(xù)墻4 m范圍內加固至坑底11 m，為土體開挖創(chuàng)造良好施工條件，以減小基坑開挖時土體的回彈變形。

2）車站范圍外，沿電力隧道縱向北側加固約15 m，南側加固約10 m，避開隧道結構，隧道底采用斜向加固的方式，加固深度均為35 m，以提高車站貼鄰區(qū)域內電力隧道周邊土體剛度。

3.2 基坑分塊施工

根據車站主體與已建軌交8號線車站的相對位置，可分為東段和西段兩個獨立施工段。為了保護東段主體基坑下方的電力隧道以及減少車站在施工階段對隧道造成的影響，在隧道兩側設各設1道厚0.8 m、深35 m的臨時封堵墻，與車站南北2道地下連續(xù)墻合圍。

同時，將東段主體基坑分3個施工段：東段A區(qū)、東段B區(qū)（西藏南路電力隧道穿越段）、東段C區(qū)，將電力隧道隔離在一個12 m×20.5 m的相對狹小的區(qū)域內。

其主要施工順序如下：施工東段A區(qū)基坑和西段基坑→施工東段C區(qū)基坑→施工東段B區(qū)基坑（西藏南路電力隧道穿越段）。

其中，B區(qū)基坑采用MJS內插H型鋼將其分為5塊區(qū)域，如圖4所示。隧道上方陰影范圍內樁深15.62 m，其余樁深35 m，按圖中編號①、②、③由兩側向內逐步施工，開挖與澆筑頂、中、底板同步進行，以提高B區(qū)基坑施工過程中的整體剛度，減小開挖施工引起的電力隧道變形。

圖4 東段基坑分塊示意

3.3 車站底板變形控制措施

經計算，車站主體結構處于抗浮工況，滿足整體抗浮計算。為了減小電力隧道上方底板的局部變形，沿隧道兩側的車站底板上各布置1道0.8 m×1.5 m的橫梁，每根橫梁下布置8根φ700 mm抗拔樁，樁長30 m，抗拔樁樁中心與電力隧道外側距離為1.8 m，如圖5所示。

同時，在車站底板澆筑時，應與封堵墻采取剛性連接措施，使之共同作用，減少運營期間車站底板局部變形對隧道產生的不利影響。

圖5 抗拔樁平面示意

4 數(shù)值分析

本節(jié)通過巖土、隧道結構專用有限元軟件Midas/GTS分析在采取上述保護措施之后，電力隧道在車站的施工及運營階段的疊加變形結果是否滿足保護要求。

4.1 三維模型

為了能夠有效而快速地對實際情況進行分析，采用了簡化模型進行計算，有限元模型尺寸為85 m×70 m×60 m，滿足電力隧道安全保護區(qū)范圍要求，原始地層及加固土體采用實體單元模擬，隧道襯砌、地下連續(xù)墻、車站結構及抗拔樁均采用板單元模擬，如圖6 所示。

圖6 有限元模型

同時根據地層勘察報告，將參數(shù)相近的地層根據其厚度將參數(shù)加權平均處理，簡化為5層計算，建模選取參數(shù)，如表1所示。

4.2 荷載及邊界條件

計算恒荷載及活荷載取值按照GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》[1]及DG J08-109—2004《城市軌道交通設計規(guī)范》[2]執(zhí)行。車站站廳、站臺等公共區(qū)的活荷載標準值均取4.0 kPa，設備區(qū)活荷載標準值取8.0 kPa。

列車動荷載輸入主要參數(shù)按《地鐵設計規(guī)范》中A型車參數(shù)確定：車輛長度為22 m，車輛定距為15.7 m，固定軸距為2.5 m，軸重為160 kN，車站內的速度取30 km/h。根據上述參數(shù)，模擬軌行區(qū)結構底板在不同位置處作用的節(jié)點荷載，初始位置和最終位置的節(jié)點荷載隨時間變化曲線如圖7、圖8所示。為了避免有限元分析振動問題時，邊界上產生反射使得計算失真，采用彈簧阻尼吸收邊界。

表1 土層參數(shù)

圖7 列車初始位置節(jié)點 荷載曲線圖

圖8 列車最終位置節(jié)點荷載曲線圖

4.3 計算分析

有限元計算中，主要考慮了基坑開挖、車站結構回筑、施加荷載等工況。計算結果表明，車站在該埋深及覆土情況下，附加列車運行動荷載，車站的整體變形趨勢仍向上，最大位移值為3.5 mm，變形趨勢符合上海軟土地區(qū)類似車站沉降實測數(shù)據，如圖9所示。

由于電力隧道與車站結構的特殊位置關系，電力隧道的變形與車站結構變形息息相關，兩者具有相同的變形趨勢，如圖10所示。由圖10可知，土體加固對保護電力隧道的變形效果顯著，在電力隧道兩端的豎向變形值僅為0.8 mm，電力隧道在位于車站中部位置處的變形值最大為4.87 mm。

圖9 車站模型豎向變形云圖

圖10 電力隧道模型變形云圖

4.4 實測數(shù)據分析

由于軌交14號線大世界站尚未建成，無法進行實測，故本文選取上海地區(qū)相似車站沉降變形的實測數(shù)據對計算結果進行驗證。

軌交10號線上海圖書館站為地下2層結構，埋深約15.6 m，在工程地質條件、車站埋深、結構荷載及列車長期循環(huán)振動荷載作用等方面與軌交14號線大世界站類似，該站從2010年1月運營至2016年3月的累計沉降數(shù)據如圖11所示。

圖11 上海圖書館站實測沉降曲線

實測數(shù)據的車站里程由SK12＋856.0—SK13＋027.8，從圖中可知，軌交10號線上海圖書館站結構整體變形趨勢為向上，車站中部底板變形量較大，最大值為4.1 mm，車站兩端＋頭底板變形量較小，最小值為0.9 mm，車站底板變形趨勢與計算結果一致，數(shù)值接近。

5 結語

1）車站整體變形計算結果，其趨勢符合類似車站長期沉降監(jiān)測數(shù)據。對于車站沉降而言，列車動荷載作用影響較小，抗浮工況為主要因素。

2）在本工程案例中，保護電力隧道，主要通過控制土體及車站結構的變形。根據計算結果顯示，采取以上技術措施下電力隧道的變形值符合保護要求。

3）對于列車動荷載的影響，不能僅采用結構變形數(shù)據作為單一指標，在有限的模擬計算條件下，建議軌道減振設計級別不應低于中等減振，且車站運營后對車站底板和電力隧道振動頻率進行監(jiān)測，以便采取相應措施，避免產生振動損害[3-4]。