十字交叉地鐵車站施工對(duì)既有站變形特性分析研究

孫 朋/SUN Peng

（上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200093）

上海地鐵是世界范圍內(nèi)線路總長(zhǎng)度最長(zhǎng)的城市軌道交通系統(tǒng)，截止至2021 年12 月，共設(shè)車站508 座，換乘車站共94 座。隨著城市持續(xù)建設(shè)與發(fā)展，上海市軌道交通換乘車站將日益增多，新建車站十字交叉換乘施工問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越多。

在該類型工程施工過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)十字交叉穿越既有車站的影響進(jìn)行了模擬與研究。楊德春等[1]認(rèn)為原單一的車站組合為線網(wǎng)中重要的換乘節(jié)點(diǎn)車站時(shí)，既有地鐵車站需要新建車站穿越其結(jié)構(gòu)，為確保既有車站安全，在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中需要進(jìn)行關(guān)鍵的技術(shù)處理。黃祚瓊[2]通過(guò)廣州地鐵6 號(hào)線下穿2 號(hào)線實(shí)際案例，認(rèn)為采用暗挖施工可以保證既有地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。羅光財(cái)?shù)萚3]運(yùn)用動(dòng)態(tài)模擬方法對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中既有車站的變形規(guī)律進(jìn)行了分析。陶連金等[4]對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為特級(jí)的車站結(jié)構(gòu)，底板豎向變形控制指標(biāo)為15mm。許有俊等[5]采用數(shù)值模擬分析得出預(yù)埋樁基具有約束車站沉降變形縱向發(fā)展的作用。李世輝[6]通過(guò)有限元數(shù)值分析，得出基坑施工引起的附近既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形中沉降最大變形量為+8.3mm。李培楠等[7]通過(guò)創(chuàng)建三維數(shù)值分析模型，對(duì)9 號(hào)線換乘通道下穿3 號(hào)線項(xiàng)目施工時(shí)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，得出下穿既有車站時(shí)會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降的變形規(guī)律。陳孟喬等[8]通過(guò)檢測(cè)評(píng)估、模擬計(jì)算、安全檢算等，制定了既有地鐵結(jié)構(gòu)變形的控制標(biāo)準(zhǔn)。從以上研究中可以看出，目前對(duì)于既有車站豎向變形、水平位移變形的變形規(guī)律分析研究較少。

本文基于新建上海軌道交通13 號(hào)線東明路站實(shí)際案例，通過(guò)大量的實(shí)測(cè)車站豎向位移、水平位移等變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合新建車站實(shí)際工況與既有車站的空間位置關(guān)系，研究分析了十字交叉換乘地鐵車站深基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵車站變形特性，對(duì)以后類似工程項(xiàng)目施工影響的既有車站監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)與分析具有一定的參考意義。

1 工程概況

1.1 新建東明路站項(xiàng)目概況

上海市新建軌道交通13 號(hào)線東明路站位于浦東新區(qū)東明路東側(cè)的成山路附近，新建車站為東西走向且位于成山路下方，與既有運(yùn)營(yíng)的軌道交通6 號(hào)線東明路站為“T”型換乘。新建車站東、西的兩側(cè)端頭井均設(shè)置為盾構(gòu)接收井，端頭井及標(biāo)準(zhǔn)段寬度分包約為26.8m、22.8m，車站全長(zhǎng)約195m，總建筑面積約16059m2。新建13 號(hào)線東明路站與既有6 號(hào)線東明路站平面位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 新建車站與既有車站平面關(guān)系示意圖

1.2 新建車站與既有東明路站位置關(guān)系

既有軌道交通6 號(hào)線東明路站，為地下兩層雙柱三跨島式車站，車站站臺(tái)中心處頂板覆土厚度約為0.8m，底板埋深約13m，車站全長(zhǎng)約167m，寬度約為21～26m。既有6 號(hào)線車站在地下三層預(yù)留建設(shè)了13 號(hào)線換乘結(jié)構(gòu)，兩個(gè)車站為十字交叉狀，新建13 號(hào)線車站的基坑開(kāi)挖深度比既有車站結(jié)構(gòu)深約8m，標(biāo)準(zhǔn)段與西端頭井開(kāi)挖深度分別為20.3m、22.4m，車站底板位于第⑤1-1 層灰色黏土。既有6 號(hào)線東明路站與新建13 號(hào)線東明路站剖面圖如圖2 所示。

圖2 新建車站與既有車站剖面關(guān)系示意圖

1.3 新建東明路站基坑開(kāi)挖概況

新建車站根據(jù)施工縫以及變形縫的位置，總共劃分為10 個(gè)基坑開(kāi)挖分區(qū)；其中1 區(qū)為西端頭開(kāi)挖基坑，2～8 區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖基坑，9～10 區(qū)為東端頭開(kāi)挖基坑。

基坑開(kāi)挖首先從東端頭基坑開(kāi)始，采取東向西分區(qū)+放坡臺(tái)階開(kāi)挖、垂直方向分層開(kāi)挖的方式。西端頭及標(biāo)準(zhǔn)段同期對(duì)稱開(kāi)挖，西端頭井采取北向南分兩塊、垂直方向分層逐步開(kāi)挖的方式，標(biāo)準(zhǔn)段西向東進(jìn)行分區(qū)+放坡臺(tái)階開(kāi)挖、垂直方向分層開(kāi)挖的方式；同時(shí)為了確保既有車站安全，開(kāi)挖面高差控制在2m 以內(nèi)。

2 既有車站豎向變形分析

2.1 豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

結(jié)合新建13 號(hào)線工程特點(diǎn)及與6 號(hào)線的相對(duì)位置關(guān)系，確定既有車站豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置范圍為新進(jìn)車站施工正對(duì)范圍約39m（D），兩側(cè)各向外延伸4 倍基坑挖深計(jì)89.6m（4h×2），上、下行線各計(jì)約218.2m。

豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)在施工正對(duì)范圍內(nèi)按約5m的間距布設(shè)，延伸范圍內(nèi)按約10m 間距布設(shè)，洞口位置加密布設(shè)。既有車站隧道豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置示意圖如圖3 所示。

圖3 隧道豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2 基坑開(kāi)挖及回筑階段豎向變形規(guī)律分析

新建13 號(hào)線東明路站從2016 年4 月16 日進(jìn)行表層土開(kāi)挖及首撐施工，2017 年8 月3 日標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井基坑開(kāi)挖工作完成，2017 年8 月20日標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井基坑底板澆筑完成，新建車站于2017 年11 月2 日完成結(jié)構(gòu)封頂。

在新建軌道交通13 號(hào)線車站基坑開(kāi)挖期間，上行線SX11～SX16（25m）、下行線XX11～XX18（35m）接近或超越了報(bào)警線。因開(kāi)挖引起上、下行線豎向變形的長(zhǎng)度均達(dá)到了約130m（測(cè)點(diǎn)08～25），根據(jù)新建車站的正投影范圍（約為39m），西端頭井的開(kāi)挖深度（約為22.4m），推斷出新建車站基坑開(kāi)挖影響既有車站范圍：投影范圍加上兩側(cè)2 倍基坑開(kāi)挖深度（D+2h×2）。

在西端頭和標(biāo)準(zhǔn)段同期對(duì)稱開(kāi)挖期間，既有6 號(hào)線東明路站兩側(cè)對(duì)稱卸載，導(dǎo)致車站上抬，至基坑開(kāi)挖結(jié)束，上、下行線豎向位移上抬量分別達(dá)到+5mm、+8mm；根據(jù)《上海市城市軌道交通結(jié)構(gòu)監(jiān)護(hù)測(cè)量規(guī)范》要求報(bào)警值為：±5mm，既有車站豎向變形輕微超過(guò)報(bào)警值。

根據(jù)上述施工情況，現(xiàn)將各階段上、下行線道床沉降曲線整理如圖4 所示。

圖4 上下行線主要施工節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)豎向變形曲線

從典型點(diǎn)歷時(shí)曲線可以看出，在基坑開(kāi)挖期間，既有6 號(hào)線車站因側(cè)方卸載的緣故，豎向變形呈明顯上抬趨勢(shì)。在大底板施工、地下結(jié)構(gòu)回筑期間，既有6 號(hào)線車站因側(cè)方加載的緣故，豎向變形呈明顯下沉趨勢(shì)，在回筑完成后，車站豎向變形基本回落至初始狀態(tài)，最終累計(jì)變形量在0～-2mm 以內(nèi)。

地鐵車站十字交叉施工，兩側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)回筑，使得既有車站經(jīng)歷了側(cè)方卸載與加載的過(guò)程，從而可以控制既有車站的最終豎向變形。

消除樁基圍護(hù)施工期間引起的上、下行線豎向變形差異沉降后，既有6 號(hào)線東明路站上、行線車站豎向變形趨勢(shì)變形走勢(shì)吻合度極高，相似率高達(dá)99%。結(jié)合以上情況，現(xiàn)將各階段上、下行線車站沉降典型特征點(diǎn)歷時(shí)曲線整理如圖5 所示。

圖5 上下行線典型豎向變形歷時(shí)曲線

2.3 既有車站抗拔樁位置豎向變形規(guī)律分析

新建13 號(hào)線車站主體結(jié)構(gòu)在施工完成后，緊接著工程進(jìn)行車站頂部道路修造，1 號(hào)出入口、3 號(hào)出入口及部分風(fēng)井等附屬設(shè)施的建設(shè)工作，最終于2018 年9 月9 日項(xiàng)目全部施工完成，2019年5 月26 日項(xiàng)目后期跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)束。

軌道交通6 號(hào)線車站設(shè)置有抗拔樁，其中在車站中心、新建13 號(hào)線施工正對(duì)區(qū)域位置有一排抗拔樁，而其位置車站豎向變形最大，特對(duì)該位置豎向變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究。通過(guò)上節(jié)數(shù)據(jù)及曲線圖發(fā)現(xiàn)，抗拔樁（監(jiān)測(cè)點(diǎn)15、16 號(hào)中間）位置，上、下行線豎向變形上抬趨勢(shì)與周圍變形趨勢(shì)一致，即上抬變形在抗拔樁位置基本不受影響，但在車站豎向變形表現(xiàn)出下沉?xí)r表現(xiàn)出不易下沉的情況。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在抗拔樁影響豎向變形范圍為20m，現(xiàn)將各階段上、下行線豎向沉降變形曲線整理如圖6 所示。

圖6 主要施工節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)豎向變形曲線

從上述主要節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中抓取出近抗拔樁位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)繪制典型曲線，從典型點(diǎn)歷時(shí)曲線可以看出，抗拔樁位置豎向變形在下沉?xí)r表現(xiàn)出抗沉的特性。周邊不受抗拔樁影響的測(cè)點(diǎn)最大下沉量為-6.3mm 時(shí)，抗拔樁位置測(cè)點(diǎn)最大下沉量?jī)H為-2.7mm。現(xiàn)將上、下行線位移典型特征點(diǎn)歷時(shí)曲線整理如圖7 所示。

圖7 抗拔樁位置測(cè)點(diǎn)典型豎向變形歷時(shí)曲線

3 既有車站水平位移變形分析

3.1 水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

結(jié)合新建13 號(hào)線工程特點(diǎn)及與6 號(hào)線的相對(duì)位置關(guān)系，確定水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置范圍為施工正對(duì)范圍約39m（D），兩側(cè)各向外延伸1 倍的基坑挖深約22.4m（1h×2），上、下行線各計(jì)約83.8m。

水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在施工正對(duì)范圍內(nèi)按約5m 的間距布設(shè)，延伸范圍內(nèi)按約10m 間距布設(shè)。既有車站水平位移變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖8 所示。

圖8 隧道豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.2 基坑開(kāi)挖及回筑階段水平位移變形規(guī)律分析

根據(jù)上述施工階段情況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，既有6 號(hào)線車站在東西兩側(cè)均受施工影響，故上、下行線水平位移總量較小，均未超過(guò)報(bào)警值±5mm。水平位移布點(diǎn)兩側(cè)各向外延伸1 倍基坑挖深（1h），但從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看出線路的首尾兩端位移變形雖比施工區(qū)域變形小，但變化量也達(dá)到+2mm，所以實(shí)際施工影響范圍要大于現(xiàn)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍?，F(xiàn)將各階段上、下行線水平位移曲線整理如圖9所示。

圖9 上下行線主要施工節(jié)點(diǎn)水平位移變形曲線

從典型點(diǎn)歷時(shí)曲線可以看出，因新建13 號(hào)線車站標(biāo)準(zhǔn)段在既有6 號(hào)線車站東側(cè)、端頭井在其西側(cè)，標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖面積遠(yuǎn)大于端頭井，施工期間上、下行線水平位移均為向東偏移。將上、下行線典型特征點(diǎn)歷時(shí)曲線整理如圖10 所示。

圖10 上下行線典型水平位移變形歷時(shí)曲線

4 結(jié)論與建議

本研究基于上海市軌道交通13 號(hào)線東明路站新建施工期間既有6 號(hào)線東明路站監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量成果，對(duì)十字交叉地鐵車站施工影響既有地鐵車站變形特性進(jìn)行分析，得到的主要結(jié)論如下。

1）因基坑開(kāi)挖（側(cè)上方卸載）及地下結(jié)構(gòu)施工（側(cè)上方加載）影響，上、下行線道床沉降在施工正對(duì)區(qū)域呈明顯的先上抬后下沉的趨勢(shì)。

2）地鐵車站十字交叉施工，兩側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)回筑，可以控制既有車站的豎向變形。

3）地鐵車站十字交叉施工影響豎向變形范圍，為投影范圍+兩側(cè)2 倍基坑開(kāi)挖深度（D+2h×2）。

4）既有6 號(hào)線車站因在車站中間抗拔樁的存在，上、下行線沉降在其位置附近上抬變形與周圍一致，但在下沉變形時(shí)表現(xiàn)出“抗沉”的特性。

5）既有車站水平位移在布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，兩側(cè)各向外延伸1 倍基坑挖深（1h）無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)需求，建議增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)監(jiān)測(cè)范圍，監(jiān)測(cè)范圍長(zhǎng)度應(yīng)大于施工的投影范圍+兩側(cè)1 倍基坑開(kāi)挖深度（D+1h×2）。

6）地鐵車站十字交叉施工（兩側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖）期間對(duì)水平位移影響較小，宜采用此類開(kāi)挖方式指導(dǎo)類似工程施工。