復(fù)雜環(huán)境下地鐵三線換乘車站深基坑變形研究

劉軍

（中國鐵建昆侖地鐵投資建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000）

城市軌道交通已成為我國經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)城市的重要出行工具。截止2019 年底，中國大陸有43 座城市正式開通并運營了軌道交通，開通線路達(dá)到197 條，運營長度達(dá)6468 公里[1-3]。線路的增加使得軌道交通呈網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，在地鐵線路縱橫交錯的同時，越來越多的交通換乘樞紐應(yīng)運而生[4]。換乘車站由兩線換乘逐步向三線換乘，甚至是三線換乘發(fā)展[5]。三線換乘使地鐵車站建造更為復(fù)雜。車站施工過程中必不可少的遇到近接、接駁等問題，建設(shè)難度增大[6]。對此有必要開展復(fù)雜環(huán)境下地鐵三線換乘車站建造關(guān)鍵技術(shù)研究，通過研究為今后三線換乘車站建造提供借鑒。

1 工程概況

成都軌道交通9 號線一期工程全程長度為22.18km，設(shè)置13 座車站，它是四川乃至中國西部第一條全自動無人駕駛的地鐵環(huán)線，線路位于成都市三環(huán)線與繞城公路之間，其中孵化園站為環(huán)線中最為復(fù)雜的地鐵車站，為雙柱三跨地下二層（局部三層）島式站臺車站，它垂直于交子南一路與天府大道，整體沿錦城大道路敷設(shè)，車站總長度428.1m。標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外皮寬25.5m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約22.5m。孵化園站為三線換乘車站，與沿交子南一路敷設(shè)的1 號線、沿天府大道敷設(shè)的在建18 號換乘，成都軌道交通9 號線一期工程孵化園站總平面圖如圖1 所示。

圖1 成都軌道交通9 號線孵化園站平面圖

2 復(fù)雜環(huán)境下地鐵三線換乘車站深基坑變形研究

孵化園站為三線換乘車站，變形控制難度大，地質(zhì)情況復(fù)雜，以黏土、卵石、泥巖為主，其中卵石層厚10-15m，地下水埋深4-6m，對車站影響大。根據(jù)工程水文地質(zhì)特征和換乘車站特征得出孵化園站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計存在三個重難點問題：（1）卵石地層穩(wěn)定性差，工期緊張需優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式實現(xiàn)快速施工，增加了基坑變形難度控制困難[7]；（2）場地狹小，需采用坑外降水提高施工效率，而基坑降水易引起卵石地層損失，造成地表沉降過大；（3）換乘節(jié)點環(huán)境復(fù)雜，換乘車站相互影響較大，場地受限嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)型式更為復(fù)雜。

2.1 孵化園站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及控制技術(shù)

采用PFC3D 建立三維模型，分析內(nèi)支撐支護(hù)時機對深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定想的影響。選擇孵化園站基巖埋深最深斷面，建立數(shù)值模型。計算中，考慮到卵石層的顆粒差異較大，無中間級配顆粒，顆粒間無細(xì)顆粒充填，缺乏黏聚力，因此對場區(qū)的的卵石（均為中密）采用離散的粗顆粒進(jìn)行模擬；素填土和雜填土在物理力學(xué)性質(zhì)上均為松散土層，兩者的力學(xué)強度參數(shù)較低且相近，為便于建模，視為同一土層，密度取較大值，基巖為中風(fēng)化泥巖。

與一般的土層不同，盡管卵石土層為中密狀態(tài)，但其顆粒之間主要是通過點接觸形成抗剪強度，卵石顆粒之間不存在黏聚力，因此采用線性模擬卵石土的力學(xué)行為[8]，對于各個土層的物理力學(xué)參數(shù)一般通過室內(nèi)試驗獲得，土層顆粒的密度、法向剛度、切向剛度和摩擦系數(shù)結(jié)果見表1。基坑寬度25.5m，開挖深度22.5m，為節(jié)約計算時間，取部分基坑建立數(shù)值模型，計算尺寸40×25×10m，模型見圖2。圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐采用clump 模擬，細(xì)觀顆粒參數(shù)依據(jù)等效剛度原則進(jìn)行標(biāo)定。

表1 孵化園站地層參數(shù)

圖2 基坑開挖模擬

圖3 為通過離散元數(shù)值模擬分析得到的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖

由計算結(jié)果可以得出：

（1）未施加內(nèi)支撐時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移位置位于樁頂，基坑開挖3m 時，最大位移為3mm，基坑開挖6m時，最大位移為10mm，基坑開挖9m 時，最大位移為22mm，已超過傾斜控制基準(zhǔn)。孵化園站基巖埋深淺，地質(zhì)條件相對較好，圍巖穩(wěn)定性強。

（2）在基坑頂部下方1m 處施加第一道支撐，繼續(xù)進(jìn)行開挖，開挖4m 時，最大位移為2mm；開挖7m 時，最大位移為6mm；開挖10m 時，最大位移為10mm；開挖13m時，最大位移為17.5mm，接近傾斜控制基準(zhǔn)；第二道內(nèi)支撐可設(shè)在基坑深10-13m 處?？紤]內(nèi)支撐施作時，為了施工方便，下部土體會開挖0.5m-1m，對此孵化園站第二道支撐設(shè)在10.5m 處。

（3）在基坑深10.5m 處設(shè)置第三道支撐，開挖14m時，最大位移為12mm；開挖17m 時，最大位移為15mm；開挖20m 時，最大位移為23mm，接近傾斜控制基準(zhǔn)；第三道內(nèi)支撐可設(shè)在基坑深17-20m 處。對此孵化園站第三道支撐設(shè)在18m 處。

（4）設(shè)置3 道支撐后，開挖至隧道底部，最大傾斜為21mm，最大傾斜位置位于基坑中部，圍護(hù)結(jié)構(gòu)呈弓形，最大傾斜未超過控制基準(zhǔn)，孵化園站設(shè)置3 道基坑能夠滿足圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

在內(nèi)支撐施作時機確定的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地表沉降變形，計算得出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移分布模式并研究提取了不同施工階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形并與現(xiàn)場實測結(jié)果進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明，隨著基坑掘進(jìn)進(jìn)程的不斷深入，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移峰值呈現(xiàn)逐步向下偏移的規(guī)律，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形整體位于開挖裸露的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部，結(jié)構(gòu)變形呈弓狀?；拥撞繒a(chǎn)生一定的隆起，隨著開挖基底隆起不斷增加。通過對比現(xiàn)場監(jiān)測值和數(shù)值計算結(jié)果，可以看出，兩者規(guī)律接近，驗證了模擬結(jié)果。計算值和實測值均未超過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜預(yù)警值，可見3 道支撐設(shè)置可以滿足孵化園站安全要求。

在分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了孵化園站地表沉降。研究結(jié)果表明，隨著基坑掘進(jìn)進(jìn)程的不斷深入，地表最大沉降逐步增大，地表沉降最大值發(fā)生的位置大約距離基坑變形4m 到8m 不等的位置，且表現(xiàn)出隨掘進(jìn)深度增加而逐步向外移動的規(guī)律。地表測點距離基坑邊緣超過8m 后，地表沉降量值迅速減小，超過16m 后，地表沉降受基坑開挖的影響可以忽略。現(xiàn)場實測最大值和數(shù)值計算結(jié)果均為超過地表沉降預(yù)警值20mm，可見孵化園站圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效的抑制地表沉降。

2.2 換乘節(jié)點基坑變形控制技術(shù)

1 號線與9 號線換乘節(jié)點變形控制，為增加支撐剛度，降低土體變形對既有線結(jié)構(gòu)的影響，車站大里程端頭位置緊鄰既有1 號線第二、三道斜撐考慮采用混凝土支撐，混凝土支撐截面為1000 mm×1200mm，腰梁截面為800 mm×1200mm。1 號線孵化園站主體結(jié)構(gòu)東西兩側(cè)5m 范圍內(nèi)圍護(hù)樁采用人工挖孔樁施工，孔深12.2m，臨近1 號線孵化園站附屬結(jié)構(gòu)B、C 出入口圍護(hù)樁采用上挖下鉆法施工，穿越既有結(jié)構(gòu)地層部分采用人工挖孔樁施工，剩余部分采用旋挖鉆孔樁施工，孔深26.25m，其中人工挖孔部分深度為13.5m。B 出入口靠近既有線圍護(hù)樁與1 號線主體側(cè)墻距離約5.3m，與保留的1 號線通道距離約0.8m?？拷? 號線既有結(jié)構(gòu)5m 范圍內(nèi)的B、E及F 型樁采用人工挖孔樁，其中E、F 型樁為樁頂位于既有結(jié)構(gòu)下方，既有B 出入口結(jié)構(gòu)內(nèi)的圍護(hù)樁需等B 出入口結(jié)構(gòu)破除后， 施工圍護(hù)樁， 圍護(hù)樁采用Φ1200@1800mm，混凝土設(shè)計等級C35 混凝土，樁長為14.3-16.97m。B 出入口共設(shè)置三道鋼支撐，與主體結(jié)構(gòu)連接采用φ609 鋼支撐，靠近1 號線斜撐的采用600×800 混凝土支撐?？磕蟼?cè)圍護(hù)樁則設(shè)置4 道錨索，錨索3-4 根φs17.8 鋼絞線，錨固長度6-12m，預(yù)加應(yīng)力300-420kN。采用φ42 小導(dǎo)管對填土較厚、穩(wěn)能力差的地段及地質(zhì)條件不良區(qū)域進(jìn)行注漿加固，保障基坑正常開挖。

孵化園站小里程與18 號線節(jié)點進(jìn)行車站換乘，18號線盾構(gòu)區(qū)間下穿9 號線，車站為三層結(jié)構(gòu)形式。該節(jié)點段設(shè)置三道支撐，第一、二道為混凝土支撐，第三道為鋼支撐，18 號線盾構(gòu)區(qū)間范圍內(nèi)采用隔斷樁+預(yù)應(yīng)力錨索。土方開挖施工期間需破除18 號線既有圍護(hù)樁17 根開始施作混凝土支撐，車站主體結(jié)構(gòu)與18 號線進(jìn)行接駁。18 號線主體結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系為φ1200mm 圍護(hù)樁@1800mm，樁頂冠梁截面尺寸1700mm×1000mm，長33.25m。

針對地鐵三線換乘車站復(fù)雜換乘節(jié)點孵化園站提出了“人工挖孔樁+混凝土支撐+鋼支撐+錨索”的組合深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法對換乘節(jié)點圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測，如圖4 所示。

圖4 換乘節(jié)點基坑變形控制結(jié)果

由圖4 可以看出，換乘車站換乘節(jié)點采用“人工挖孔樁+混凝土支撐+鋼支撐+錨索”的組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降均處于較小的水平，能夠保障換乘節(jié)點深基坑的安全施工。同時，將內(nèi)支撐優(yōu)化為錨索也為換乘節(jié)點既有構(gòu)筑物的拆除節(jié)省了空間。

3 結(jié)論

孵化園站為三線換乘車站基坑變形控制難度大。為實現(xiàn)孵化園站快速、安全施工，開展了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制研究、降水對地表沉降影響的研究、換乘節(jié)點圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，得出了以下幾點內(nèi)容：

3.1 通過離散元數(shù)值模擬分析了內(nèi)支撐施作時機對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，得出了孵化園站內(nèi)支撐施作時機。

3.2 明確了孵化園站圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征，圍護(hù)結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形整體位于開挖裸露的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部，并隨開挖逐步下移。

3.3 針對地鐵三線換乘車站復(fù)雜換乘節(jié)點提出了“人工挖孔樁+混凝土支撐+鋼支撐+錨索”的組合深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。