新建地鐵車站施工對(duì)既有地鐵車站的影響研究

祁小龍

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300350）

1 引言

隨著地下空間開(kāi)發(fā)范圍逐漸擴(kuò)大，臨近既有運(yùn)營(yíng)地鐵車站開(kāi)發(fā)新站的情況屢見(jiàn)不鮮。曾遠(yuǎn)等[1]采用ANSYS有限元軟件，模擬上海張楊路地鐵車站基坑開(kāi)挖對(duì)在運(yùn)營(yíng)車站的變形影響，建立車站側(cè)向變形最大值與源頭變形及車站間距的估算式。姚燕明等[2]總結(jié)深基坑與既有車站共用地下連續(xù)墻時(shí)，深基坑開(kāi)挖過(guò)程中既有車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律。在基坑開(kāi)挖影響范圍方面，Tan等[3]通過(guò)廣泛的現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)試結(jié)合數(shù)值模擬，研究鄰近蘇州地鐵1號(hào)線車站超大型深層開(kāi)挖對(duì)地鐵站的影響。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑開(kāi)挖對(duì)車站的影響范圍不超過(guò)2倍基坑開(kāi)挖深度。李志高等[4]針對(duì)平行換乘車站的研究結(jié)果表明，大剛度地鐵車站的存在對(duì)基坑變形的遮攔作用減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，并且隔斷坑周土層的位移傳遞路徑，使得土體位移場(chǎng)發(fā)生變化，促使地下建筑物背向基坑方向傾斜。

另外，基坑施工方式的不同也會(huì)對(duì)臨近的既有建筑產(chǎn)生不同影響。吳航[5]采用PLAXIS 3D有限元軟件模擬超深基坑施工，研究分區(qū)施工對(duì)既有車站的影響，結(jié)果表明，基坑的分區(qū)施工方式會(huì)對(duì)其自身及既有車站結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生較大影響。張俊赟等[6]的研究表明在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)，地鐵結(jié)構(gòu)受到臨近基坑開(kāi)挖的影響，在基坑中部產(chǎn)生的拱起位移較大。周丁恒等[7]在分區(qū)施工方案的基礎(chǔ)上，將近地鐵區(qū)域內(nèi)分區(qū)與分層施工順序進(jìn)行優(yōu)化，提出一系列對(duì)臨近地鐵的保護(hù)措施。

此外，對(duì)于近距離施工新措施方面的研究近年來(lái)也有所發(fā)展。如劉露超[8]研究新建車站下穿既有線的技術(shù)方案，針對(duì)合肥市某下穿既有線的暗挖地鐵車站工程，比選出工程暗挖段的結(jié)構(gòu)體系選型和施工工法。李積棟等[9]為了控制既有車站底板的沉降提出平頂直墻CRD（交叉中隔墻法）+多重預(yù)頂撐的新工法并成功應(yīng)用。

在新建車站下穿既有運(yùn)營(yíng)車站方面，何海健等[10]在分析國(guó)內(nèi)工程案例的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)現(xiàn)有的穿越技術(shù)措施。采用預(yù)埋樁基措施進(jìn)行近距離下穿盾構(gòu)施工可以有效控制既有車站的變形，滿足沉降控制要求。許有俊等[11]在此基礎(chǔ)上分析預(yù)埋樁基的變形機(jī)制、樁基不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)既有車站變形控制的影響。王旭聲等[12]的研究結(jié)果表明，盾構(gòu)下穿施工過(guò)程中，既有車站的結(jié)構(gòu)豎向、橫向變形逐漸增大，增加幅度逐漸減小，當(dāng)盾構(gòu)下穿至結(jié)構(gòu)側(cè)墻位置時(shí)，車站結(jié)構(gòu)變形幅度最大。殷一弘[13]等采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與有限元模擬結(jié)合的方法，對(duì)臨近地鐵車站基坑采取分區(qū)開(kāi)挖方式的影響方面進(jìn)行了分析。

文章依據(jù)蘇州地鐵8號(hào)線某新建車站距離既有地鐵車站最近處僅12.5 m，施工過(guò)程中造成擾動(dòng)勢(shì)必會(huì)使周圍土體產(chǎn)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致臨近既有車站產(chǎn)生剛體位移和變形。為確保乘客的安全及既有線路的正常運(yùn)營(yíng)，開(kāi)展新建地鐵車站對(duì)既有地鐵車站開(kāi)挖影響研究非常必要。

2 工程簡(jiǎn)介

既有地鐵車站與蘇州地鐵8號(hào)線某新建車站深基坑的平面尺寸及相對(duì)位置如圖1所示，新建車站與既有車站地連墻相距最近處僅12.5 m。

圖1 平面布置圖（單位：m）

既有車站為地下二層三跨框架結(jié)構(gòu)，底板埋深17.7 m。新建地鐵車站為三層三跨框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為26.3 m，兩側(cè)端頭井基坑深度為27.6 m。車站主體采用明挖法施工，中部設(shè)置立柱樁兼做抗拔樁，有效樁長(zhǎng)35 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻厚1 m，埋深 50.8 m。

深基坑標(biāo)準(zhǔn)段豎向設(shè)置6道支撐及1道換撐。其中第1、4道為鋼混支撐，第1道支撐截面尺寸為800 mm×1 000 mm，第4道截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm；第2、3、6道為Φ609 mm鋼管支撐，管壁厚16 mm，第5道為Φ800 mm鋼管支撐，管壁厚20 mm；換撐采用Φ609 mm鋼管支撐，管壁厚16 mm。

端頭井豎向設(shè)置7道支撐及1道換撐。第1至5道支撐、換撐尺寸與標(biāo)準(zhǔn)段一致，第6、7道鋼管支撐尺寸為Φ800 mm，管壁厚20 mm。

根據(jù)詳勘地層資料，車站場(chǎng)地土地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

3 計(jì)算理論與計(jì)算模型

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS GTS/NX有限元軟件建立三維模型，計(jì)算模型長(zhǎng)450 m，寬350 m，深70 m。模擬范圍覆蓋既有車站及新建車站深基坑，如圖2所示。模型側(cè)面和底面設(shè)置位移邊界，四周設(shè)置法向水平位移約束，底部設(shè)置X、Y、Z方向的位移約束，頂部為自由表面。選用修正Mohr-Coulomb模型模擬土體本構(gòu)。參數(shù)切線剛度取表1中壓縮模量ES，割線剛度卸載彈性模量采用一維梁?jiǎn)卧M梁、柱、支撐、立柱樁、格構(gòu)柱、冠梁、聯(lián)系梁，采用二維板單元模擬地連墻、角撐、車站側(cè)墻及頂中底板，土層采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

圖2 模型示意圖

3.2 計(jì)算模擬過(guò)程

模擬施工過(guò)程分為開(kāi)挖階段和回筑階段。設(shè)置新建車站深基坑分6步開(kāi)挖，分3步回筑。主要計(jì)算步驟為：①施作深基坑地連墻、抗拔樁和格構(gòu)柱；②基坑開(kāi)挖第一層土的厚度為3.00 m，施作冠梁及第1道混凝土支撐；③基坑開(kāi)挖第二層土的厚度為6.35 m，施作第 2道鋼管支撐；④基坑開(kāi)挖第三層土的厚度為2.85 m，施作第3道鋼管支撐；⑤基坑開(kāi)挖第四層土的厚度為5.5 m，施作腰梁及第4道混凝土支撐；⑥基坑開(kāi)挖第五層土的厚度為3.5 m，施作第5道鋼管支撐；⑦基坑開(kāi)挖第六層土的厚度為7.0 m，施作第6道鋼管支撐；⑧ 拆除第5、6道支撐，回筑車站負(fù)三層結(jié)構(gòu)；⑨拆除第3、4道支撐及腰梁，回筑車站負(fù)二層結(jié)構(gòu)；⑩拆除第1、2道支撐，拆除冠梁和格構(gòu)柱，回筑車站負(fù)一層結(jié)構(gòu)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 深基坑施工周圍地表位移分析

深基坑開(kāi)挖第六層（步驟⑦）和回筑車站負(fù)一層（步驟⑩）時(shí)周圍地表的位移云圖如圖3所示，圖中標(biāo)注了地表最大沉降值、最大隆起值及二者的相應(yīng)位置。

圖3 地表位移云圖（單位：mm）

結(jié)果表明，隨著基坑開(kāi)挖深度增加，地表沉降范圍逐漸擴(kuò)大。開(kāi)挖一、二層土，最大沉降出現(xiàn)在基坑邊緣處，隨基坑開(kāi)挖推進(jìn)，最大沉降處逐漸遠(yuǎn)離基坑。開(kāi)挖階段基坑周圍地表沉降情況如圖4所示?；刂A段地表沉降值呈緩慢增加趨勢(shì)。模擬結(jié)果顯示，施工過(guò)程最大沉降出現(xiàn)在距離基坑16.3 m的位置，最大沉降量為19.533 mm。經(jīng)分析可知，開(kāi)挖第一層至開(kāi)挖第四層，施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)以沉降范圍擴(kuò)大為主，表現(xiàn)為最大沉降處逐漸外移。開(kāi)挖第一層到開(kāi)挖第二層最大沉降處外移3.3 m；開(kāi)挖第二層到開(kāi)挖第三層最大沉降處外移3.3 m；開(kāi)挖第三層到開(kāi)挖第四層最大沉降處外移6.5 m。隨后各施工階段對(duì)周圍土體的擾動(dòng)以沉降量增加為主。開(kāi)挖第四層到開(kāi)挖第五層地表沉降從13.809 mm增大到14.246 mm，增大0.437 mm；開(kāi)挖第五層到開(kāi)挖第六層地表沉降從14.246 mm增大到16.713 mm，增大2.467 mm；開(kāi)挖第六層到覆土地表沉降從16.713 mm增大到19.533 mm，增大2.82 mm。

圖4 開(kāi)挖階段地表沉降規(guī)律圖

4.2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析對(duì)比

新建車站深基坑周圍部分地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的平面布置如圖5所示。隨著施工推進(jìn)DB8-3觀測(cè)點(diǎn)沉降量累計(jì)曲線如圖6所示。施工荷載持續(xù)擾動(dòng)土體使得DB8-3測(cè)點(diǎn)處地表沉降值呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，后期沉降值穩(wěn)定于19 mm左右，這與計(jì)算值19.305 mm吻合程度較好。選擇地面沉降觀測(cè)點(diǎn)DB8-2、DB8-3、DB8-4、DB10-2、DB10-3、DB10-4、DB16-2、DB16-3、DB16-4，進(jìn)行施工完成后計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值分析比較，如圖7所示。模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比顯示，66.7%的測(cè)點(diǎn)處地表沉降計(jì)算與實(shí)測(cè)差值在20%以內(nèi)。針對(duì)工程采用的施工方法，數(shù)值模擬可以用于研究近接既有站深基坑開(kāi)挖土體受力變形特征并進(jìn)行施工優(yōu)化分析。

圖5 基坑監(jiān)測(cè)平面布置圖

圖6 測(cè)點(diǎn)DB8-3地表沉降變化圖

圖7 地表位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

4.3 深基坑施工對(duì)既有車站側(cè)墻受力影響分析

深基坑開(kāi)挖第六層（步驟⑦）和回筑車站負(fù)一層（步驟⑩）時(shí)既有車站側(cè)墻x方向應(yīng)力的分布如圖8所示。側(cè)墻應(yīng)力集中于靠近新建車站一端，此處選擇近端的一個(gè)截面具體分析其受力情況，截面位置見(jiàn)圖8。側(cè)墻采用的材料為C35混凝土，其軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為23.4 N/mm2，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.20 N/mm2。由圖 8可知，既有車站負(fù)一層側(cè)墻應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力為1 778.821 kPa，遠(yuǎn)低于C35混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻與頂板銜接處；既有車站負(fù)二層以拉應(yīng)力為主，最大拉應(yīng)力為2 092.053 kPa，滿足混凝土軸心抗壓強(qiáng)度要求，側(cè)墻最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在負(fù)二層中部高度處。結(jié)果表明，在車站深基坑開(kāi)挖回筑過(guò)程中，既有車站側(cè)墻滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，但負(fù)二層側(cè)墻拉應(yīng)力處于較高水平，應(yīng)在施工時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并注意控制施工荷載對(duì)車站側(cè)墻的擾動(dòng)。

圖8 既有車站側(cè)墻應(yīng)力云圖（單位：kN/m2）

4.4 深基坑施工對(duì)既有車站側(cè)墻位移影響分析

深基坑開(kāi)挖第六層（步驟⑦）和回筑車站負(fù)一層（步驟⑩）時(shí)既有車站側(cè)墻沿y方向的位移如圖9所示。與平行車站位移規(guī)律[4]不同，文章所述的車站布置方式引起的土體位移場(chǎng)變化會(huì)促使既有車站靠向基坑方向傾斜。既有車站側(cè)墻與頂板連接處側(cè)移值最大，此處側(cè)移值隨深基坑開(kāi)挖深度增加而減小，最大側(cè)移值出現(xiàn)在開(kāi)挖第一層土?xí)r，最大側(cè)移量為1.764 mm，在開(kāi)挖過(guò)程中側(cè)移量逐步減小為1.587 mm。回筑過(guò)程中，圖9既有車站側(cè)墻截面不同深度處的側(cè)移量如圖10所示。回筑過(guò)程最大側(cè)移量從1.677 mm逐漸增大為1.719 mm。既有車站側(cè)墻最小側(cè)移量位于側(cè)墻與底板連接處，深基坑開(kāi)挖回筑過(guò)程中此處側(cè)移值從0.067 mm逐步增大為 0.121 mm。

圖9 既有車站側(cè)墻位移云圖（單位：m）

圖10 回筑階段既有車站側(cè)墻側(cè)移圖

4.5 深基坑施工對(duì)既有車站頂板位移影響分析

深基坑開(kāi)挖第一層（步驟②）及回筑車站負(fù)一層（步驟⑩）時(shí)既有車站頂板豎向位移如圖11所示。基坑開(kāi)挖回筑各步驟既有車站頂板位移變化如圖12所示。距基坑較遠(yuǎn)一端既有車站頂板稍有隆起，最大隆起值為0.037 mm?？拷右欢思扔熊囌卷敯逦灰票憩F(xiàn)為沉降，最大沉降值出現(xiàn)在深基坑第一層土開(kāi)挖完成后，并且隨基坑開(kāi)挖深度增加，既有車站頂板逐漸抬升，表現(xiàn)為沉降值減小。如圖12所示第一層土開(kāi)挖車站頂板沉降值為3.161 mm，第六層土開(kāi)挖完成沉降值減小為1.712 mm，減小45.8%?；踊刂A段，既有車站頂板略有沉降，沉降量由1.863 mm增大為1.906 mm。

圖11 既有車站頂板位移云圖（單位：m）

圖12 開(kāi)挖階段既有車站頂板位移變化圖

5 結(jié)論與建議

（1）開(kāi)挖至基坑深度的2/3過(guò)程中，施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)表現(xiàn)為沉降范圍擴(kuò)大，最大沉降處逐步外移，最大沉降的位置距離基坑16.3 m；繼續(xù)開(kāi)挖至坑底及回筑階段，對(duì)周圍土體的擾動(dòng)以沉降量增加為主，最大沉降量為19.533 mm。

（2）新建車站施工過(guò)程中既有車站負(fù)一層側(cè)墻應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻與頂板銜接處；負(fù)二層側(cè)墻應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，且拉應(yīng)力處于較高水平，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在負(fù)二層中部高度處，建議施工時(shí)應(yīng)密切監(jiān)測(cè)。

（3）新建車站與既有車站近似正交，此種布置方式使得新車站施工時(shí)既有車站靠向基坑方向傾斜。既有車站側(cè)墻最大側(cè)移值位于頂板高度處，出現(xiàn)在開(kāi)挖第一層土?xí)r，最大側(cè)移量為1.764 mm。側(cè)墻最小側(cè)移量位于與底板連接處。

（4）既有車站頂板距基坑較遠(yuǎn)一端稍有隆起，靠近基坑一端為沉降?；娱_(kāi)挖第一層土?xí)r頂板沉降值最大，隨開(kāi)挖深度增加，車站頂板逐漸抬升，開(kāi)挖完成后沉降值減小45.8%；回筑階段既有車站頂板略有沉降。