既有地鐵車站暗挖擴(kuò)建施工安全性影響研究

朱郁文/ZHU Yu-wen

（深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著我國城市化進(jìn)程逐步加快，為了緩解城市交通和空間壓力，地鐵建設(shè)是解決該問題的有效措施之一。在地鐵線網(wǎng)不斷擴(kuò)容、調(diào)整時，后期線路與先期已運(yùn)營的線路經(jīng)常出現(xiàn)換乘、接駁問題。由于新舊線路規(guī)劃的不同步、工程周邊環(huán)境條件復(fù)雜等原因，使得既有地鐵車站、區(qū)間的改造工程具有建設(shè)風(fēng)險高、技術(shù)難度大的特點(diǎn)，成為后期線路建設(shè)的工程重難點(diǎn)。

截至目前，國內(nèi)外已有不少既有地鐵車站成功擴(kuò)建的案例，例如：莫斯科“庫爾斯卡亞”地鐵車站歷時13個月對車站自動扶梯隧道進(jìn)行徹底改造；上海地鐵3號線上海站新增兩股配線和一個島式站臺，不僅實現(xiàn)同站臺的同向換乘，還改共線運(yùn)行為分線運(yùn)行，提高軌道交通運(yùn)營能力。上述擴(kuò)建工程經(jīng)過實踐驗證，滿足工程需求，能夠較好的指導(dǎo)同類工程。但是隨著工程建設(shè)復(fù)雜性的不斷提升，國內(nèi)出現(xiàn)了采用淺埋暗挖法從既有車站外部進(jìn)行既有車站零距離擴(kuò)建施工的工程案例，而國內(nèi)相關(guān)研究在此工程及研究領(lǐng)域內(nèi)較為空白。

因此，本文基于FLAC3D有限差分軟件，依托周邊環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件惡劣的深圳某地下車站暗挖擴(kuò)建工程，對該挖擴(kuò)建工程的施工方案進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。

1 暗挖擴(kuò)建工程概況及特點(diǎn)

1.1 暗挖擴(kuò)建工程概況

深圳某地鐵原車站設(shè)置在軌道線路以南，建設(shè)期又考慮到與3號線的換乘問題，故預(yù)留了將站臺改到北側(cè)的條件。為此，將車站有效站臺部位相應(yīng)的北側(cè)內(nèi)襯墻改為了壁框梁柱體系，待3號線建設(shè)時，拆除該范圍內(nèi)連續(xù)墻，施做疊合梁柱，與新建站臺部分結(jié)構(gòu)連接。工程平面布置如圖1、圖2所示。

圖2 工程典型剖面圖

擴(kuò)建的車站共有地下3層結(jié)構(gòu)，車站開挖深度約23m，車站上層覆土厚度約4.6m，凈寬6m，長145m，其中，因擴(kuò)建施工使得永新商業(yè)城受到影響的區(qū)段長約50m，擴(kuò)建工程期間需要對永新商業(yè)城建筑既有樁進(jìn)行局部樁基托換處理。本文研究重點(diǎn)為對永新商業(yè)城有較大影響的50m部分。該車站擴(kuò)建工程主要包括如下工程步驟：暗挖洞室施工（圖1左端進(jìn)洞）→洞內(nèi)加固、地層加固→施做人工挖孔樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)→商業(yè)城基樁托換→開挖基坑、逐層施做擴(kuò)建車站主體→分段破除既有車站地下連續(xù)墻，施做疊合梁柱。

1.2 工程地質(zhì)情況

工程范圍內(nèi)主要地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、沖洪積砂層(Q4m+al)、殘積粘性土層(Qel)，下伏基巖為燕山期（γ53）花崗巖、震旦系云開群（Zyk）花崗片麻巖。地層自上而下為素填土、粉質(zhì)粘土、粉砂、中砂及花崗片麻巖。地下水面受大氣降雨和蒸發(fā)的影響，水位埋深一般為1.2～4.3m。

2 暗挖擴(kuò)建工程數(shù)值模型及參數(shù)選取

2.1 模型建立

模型尺寸定為長80m、寬70m、高50m，依據(jù)施工步驟，將模型分為6大塊，分別為既有車站結(jié)構(gòu)、永新商業(yè)街結(jié)構(gòu)、暗挖隧道施工區(qū)域、人工挖孔樁施工區(qū)域、基坑開挖區(qū)及車站主體結(jié)構(gòu)、地層土體區(qū)域。

2.2 材料參數(shù)選取

土層力學(xué)模型采用摩爾-庫倫模型，車站結(jié)構(gòu)、擴(kuò)建結(jié)構(gòu)、既有樁及車站附屬結(jié)構(gòu)力學(xué)模型均采用彈性模型。材料參數(shù)主要參考相關(guān)文獻(xiàn)、規(guī)范及地勘資料，各材料計算參數(shù)列于表1、表2。

表1 材料參數(shù)表

表2 Beam單元材料參數(shù)表

3 既有車站暗挖擴(kuò)建工程施工影響分析

3.1 暗挖擴(kuò)建工程對既有車站位移場的影響

為即時監(jiān)測車站位移變化，于沿車站縱向10m、40m、70m（對應(yīng)斷面1、2、3）位置處的各層底板、側(cè)墻、鐵軌上均布置了監(jiān)測點(diǎn)（圖3），對其水平方向及豎向方向位移予以監(jiān)測。此外，圖例中第二層底板1表示第一斷面的第二層底板監(jiān)測點(diǎn)情況。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖4 既有車站中間層底板發(fā)展情況

分析既有車站底板位移（圖4）可知：①隧道開挖時各斷面水平位移相差不大，從樁基施工開始測點(diǎn)2的位移發(fā)展明顯大于其他兩點(diǎn)，位移方向向基坑內(nèi)，最大水平位移為0.38mm，這應(yīng)是由于測點(diǎn)1、3遠(yuǎn)離基坑開挖區(qū)中心，而測點(diǎn)2處在基坑開挖區(qū)中心，使得開挖帶來的變形較大；②3個施工階段內(nèi)，基坑開挖帶來的水平變形最為明顯，以斷面2為例，基坑開挖階段變形占比總變形量的72%，說明在基坑開挖時最需要注意對既有車站底板水平位移的影響。

分析既有車站側(cè)墻位移可知：近坑側(cè)各層發(fā)展規(guī)律不一，第三層位移發(fā)展總體較小，而第一、二層側(cè)墻在基坑開挖初期水平位移發(fā)展迅速，隨混凝土支撐逐步澆筑承載后位移迅速下降，開挖完成后近坑側(cè)最大位移為0.16mm，發(fā)生于第一層近坑側(cè)墻處；遠(yuǎn)坑側(cè)側(cè)墻水平位移發(fā)展規(guī)律各層基本一致，基坑開挖階段內(nèi)水平位移迅速發(fā)展，最大位移值為0.36mm，發(fā)生于第二層側(cè)墻處；③各層兩側(cè)側(cè)墻相對位移分別為0.16mm、0.32mm、0.29mm，從該數(shù)據(jù)可得側(cè)墻相對位移呈現(xiàn)“中間大兩頭小”的趨勢，但變形量總體較小。

3.2 暗挖擴(kuò)建工程對既有車站應(yīng)力場的影響

從應(yīng)力角度分析車站結(jié)構(gòu)最危險點(diǎn)為兩側(cè)側(cè)墻與底板交接處，最大水平、豎向應(yīng)力增幅為42.8%、34.1%，最大水平、豎向應(yīng)力值為3.98MPa、3.5MPa，在施工階段內(nèi)應(yīng)能滿足既有車站材料應(yīng)力要求，但仍需對既有車站特別是兩側(cè)側(cè)墻與底板交接處進(jìn)行定期監(jiān)測。

3.3 基坑開挖對擴(kuò)建車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

為分析基坑開挖期間擴(kuò)建車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)（人工挖孔樁）的變形特征，以等分法選取3個圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測斷面，各斷面于樁頂、樁中、樁底布置位移監(jiān)測點(diǎn)，布設(shè)示意圖如圖5所示。

圖5 人工挖孔樁位移監(jiān)測布置

表3 各監(jiān)測斷面樁體最終水平位移表 （mm）

由表3可知：①圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移沿縱向呈現(xiàn)“兩頭小中間大”的規(guī)律性特征，這與圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力形式有關(guān)；②該模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移沿深度呈現(xiàn)“樁中位移大，樁頂位移較小，樁底位移很小”的組合式圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征；③樁身位移最大為11.2mm，方向為向基坑內(nèi)側(cè)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形總體不大，能滿足樁體相關(guān)位移要求。

3.4 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

為對比驗證本文數(shù)值模擬的正確性，將隧道變形監(jiān)測結(jié)果與本文數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，分析可知：隧道開挖至擴(kuò)建工程結(jié)束，最大實測收斂值為6.76mm；本文數(shù)值模型最大收斂為8.7mm，其中，基坑開挖期間周邊收斂發(fā)展值為總收斂的72%；實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，且最值部位均發(fā)生與隧道中段附近，故數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)吻合較好，驗證了該模型模擬計算的正確性。

除收斂變形外，隧道拱頂沉降位移亦能較好吻合：實測數(shù)據(jù)顯示最大沉降值為16.72mm，而數(shù)值模型結(jié)果最大拱頂沉降值為19.89mm，且最大值均發(fā)生于隧道中段附近。

4 結(jié)論與討論

本文依托深圳某車站暗挖 擴(kuò)建工程，基于FLAC3D有限差分軟件，建立三維數(shù)值分析模型，探討了淺埋暗挖隧道施工、上覆建筑樁基托換施工、基坑開挖及擴(kuò)建車站主體施工對該車站結(jié)構(gòu)物、地層的影響規(guī)律，結(jié)論如下。

1）隨暗挖擴(kuò)建施工的不斷進(jìn)行，既有車站豎向變形分布呈現(xiàn)隨深度越深其變形量越大的變化規(guī)律，水平位移分布沿深度呈現(xiàn)“中間大兩頭小”的變化規(guī)律。

2）既有車站單側(cè)開挖擴(kuò)建會引發(fā)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不對稱變形，呈現(xiàn)“遠(yuǎn)坑側(cè)軌道位移大于近坑側(cè)”的規(guī)律性特征，不利于運(yùn)營線路的正常使用。因此，施工過程中應(yīng)對軌道變形情況進(jìn)行嚴(yán)格控制及監(jiān)測，亦應(yīng)對軌道差異性變形制定相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)。

3）現(xiàn)場施工時應(yīng)分層、分段開挖，減少土體擾動，隨挖隨撐，按規(guī)定時限安裝支撐并施加預(yù)應(yīng)力，并做好基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊構(gòu)筑物的監(jiān)測工作，保障工程安全有序進(jìn)行。