新建地鐵車站密貼下穿既有車站暗挖施工方案綜合比選分析

關(guān)鍵詞：密貼下穿；施工方案；層次分析法；有限元分析法；PBA工法中圖分類號：U231.3 文獻標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.057文章編號：1673-4874（2025）03-0203-04

0 引言

地鐵具有快捷、便利、運輸量大的優(yōu)勢，能夠極大緩解城市公共交通壓力。為了實現(xiàn)不同地鐵線路的站點的交匯，立體式車站建設(shè)正成為地鐵規(guī)劃修建的一大趨勢，在進行立體車站修建時，最重要的就是要確保新建車站施工對既有車站正常運營和安全穩(wěn)定的影響最小1]。然而，隨著地鐵線路的逐漸增多，面臨的施工環(huán)境也越來越復(fù)雜，如何保證既有車站的安全穩(wěn)定成為當(dāng)下關(guān)注的熱點。

明挖、蓋挖、盾構(gòu)、暗挖等均是地鐵車站修建常用的方法，然而面對復(fù)雜的城市環(huán)境，暗挖施工法仍是首選，中洞法、側(cè)洞法、柱洞法、PBA等是目前地鐵車站淺埋暗挖施工的常用方法2。鄭龍超等3采用數(shù)值模擬方式，研究了地鐵車站洞樁法施工擴挖并行下穿既有建筑物的施工影響，結(jié)果表明在綜合采用超前大管棚、臨時立柱支撐體系、7導(dǎo)洞分部開挖以及人工挖孔灌注樁等技術(shù)措施的前提下，可以將沉降變形控制在合理范圍。吳寶華4以北京地鐵6號線和16號線為例，對上穿既有結(jié)構(gòu)中洞暗挖施工過程中的變形進行了分析，認(rèn)為在中洞開挖與扣拱開挖施工過程中需要嚴(yán)加注意，必要時采取加固措施?？芏萚5對新建地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)多次臨近或下穿既有地鐵的安全性影響進行了研究，并提出了一系列施工和防護措施，通過這些措施可以大大降低變形量。楊鳳梅等以成都新建地鐵19號線為例，提出采用分段法施工技術(shù)，對既有車站的結(jié)構(gòu)變形、承載力和裂縫進行控制。雖然上述研究對于工程實踐起到了一定的指導(dǎo)作用，但是針對密貼下穿的研究仍顯不足，尤其是沒有從安全性、適用性和經(jīng)濟性等諸多方面進行綜合考慮。

本文以某新建地鐵車站密貼下穿既有車站暗挖施工為例，采用理論分析 + 數(shù)值模擬方式，對比了多種施工方案，相關(guān)經(jīng)驗可為類似工程提供借鑒。

1工程概況

1.1工程簡介

某新建地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為三跨結(jié)構(gòu)，采用暗挖法施工，結(jié)構(gòu)主體包括站廳層及站臺層兩層，車站下穿既有地鐵車站，新建車站與既有車站之間的夾角為 70^° =下穿段全長為52m，頂板距地面距離為 11.64m ，開挖斷面尺寸為23.5m，新建車站與既有車站之間的最小間距僅為0.45m，既有車站頂板與地表距離為 6.7m，4 跨開挖斷面尺寸為 6.45m×17m，5 跨開挖斷面尺寸為6.45 m×21m 新建車站在穿越施工時對原有地層，尤其新建車站密貼下穿既有車站修建，對于既有車站穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大影響，對既有車站影響范圍達 64m

1.2 工程及水文地質(zhì)

新建車站頂板和底板埋深分別為 11.64m 和27.03m ，主要位于第四紀(jì)晚更新世沖洪積卵石地層中。卵石密實度為中密一密實，濕度為濕一飽和，壓縮性低，無黏聚性，卵石中充填有中粗砂，地層不穩(wěn)定。由于工程地下水位于新建車站底板下約11m處，故無須考慮地下水影響。

1.3工程風(fēng)險及施工重難點

工程本身風(fēng)險等級為1級，周邊環(huán)境風(fēng)險等級為特級。由于既有車站底部為水平結(jié)構(gòu)，為減少新建車站頂板截面不均勻性對既有車站產(chǎn)生不均勻變形影響，新建車站的頂板也必須設(shè)計為直墻結(jié)構(gòu)，因此開挖方法選擇對于新建車站安全施工，從而確保既有車站及周邊地層變形和受力在可控范圍之內(nèi)是該工程最大的施工重難點。

2地鐵暗挖常用方案對比

常用的地鐵暗挖施工方法包括CD法、CRD法、中洞法、側(cè)洞法、柱洞法及PBA工法等，由于本工程地層圍巖相對一般，采用CD或者CRD法分塊較多，只能采取小型機械或者進行人工開挖，臨時支撐試做和拆除十分困難，不僅工序復(fù)雜，而且進度緩慢，難以滿足施工工期要求，故而針對中洞法、側(cè)洞法、柱洞法及PBA工法進行方案對比，這些方法的核心思想均是采用分塊施工，減少對既有車站和周圍地層的擾動。4種施工方案對比如表1所示。

3基于層次分析法的施工方案優(yōu)選

3.1指標(biāo)體系構(gòu)建

考慮施工安全性、適用性和經(jīng)濟性三個方面因素，施工安全性選取地表沉降、施工安全度兩個評價指標(biāo)，施工適用性選取斷面利用率、施工環(huán)境和受力條件三個評價指標(biāo)，施工經(jīng)濟性選取廢棄工程量、造價兩個評價指標(biāo)。邀請業(yè)內(nèi)專家對4種施工方案的各個評價指標(biāo)進行評價，結(jié)果見表2。

3.2基于不同目標(biāo)指標(biāo)的方案優(yōu)選

根據(jù)專家評價情況，引入 1～9 的標(biāo)度對評價結(jié)果進行量化，分別建立7個評價指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣。首先根據(jù)單個評價指標(biāo)的判斷矩陣，對每個評價指標(biāo)的層次單排序進行計算，即先把判斷矩陣每一行進行相加，得到 ，再計算 V_i 的相對權(quán)重 ω_i=V_i/ΣV_i ，從而得到7個評價指標(biāo)的在以不同控制目標(biāo)下的權(quán)重向量 ω （見表3）。

根據(jù)施工經(jīng)驗，施工單位在進行施工時，要么以施工安全控制為主角度決策，要么以施工造價控制為主角度決策。當(dāng)以施工安全控制為首要目標(biāo)時，各指標(biāo)的優(yōu)先順序為：施工安全度 gt; 地表沉降 gt; 廢棄工程量及造價 gt; 受力條件及斷面利用率 gt; 施工環(huán)境。當(dāng)以施工造價控制為首要目標(biāo)時，各指標(biāo)的優(yōu)先順序為：施工安全度 gt; 廢棄工程量及造價 gt; 地表沉降 gt; 受力條件及斷面利用率 gt; 施工環(huán)境。分別構(gòu)建兩種目標(biāo)指標(biāo)下的判斷矩陣，對兩種目標(biāo)下的判斷矩陣進行一致性檢驗，CR檢驗結(jié)果均 lt;0.1 ，滿足一致性檢驗標(biāo)準(zhǔn)。同理，對兩種目標(biāo)情況下的判斷矩陣進行求解，求解方法同上。結(jié)果見表4和表 5

將計算得到的不同施工方案權(quán)重值分別與對應(yīng)控制目標(biāo)下的權(quán)重值相乘后，再分別對每一種施工方案的乘積相加，便可得到該種施工方案的重要性權(quán)重值，最終得到兩種目標(biāo)下的層次總排序結(jié)果，見圖1。由圖1可知：當(dāng)以施工安全控制為目標(biāo)時，4種施工方案的層次排序為：PBA工法 gt; 柱洞法 gt; 側(cè)洞法 gt; 中洞法；當(dāng)以施工造價控制為目標(biāo)時，層次排序為：PBA工法 gt; 側(cè)洞法 gt; 柱洞法 gt; 中洞法。無論是基于安全還是造價為目標(biāo)，PBA工法均是最優(yōu)選擇，因此采用層次分析法計算時，宜優(yōu)選PBA工法進行施工。

4基于有限元的施工方案優(yōu)選

4.1數(shù)值模型的構(gòu)建

在構(gòu)建模型之前，作如下假設(shè)：（1）工程區(qū)地層符合修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型，車站結(jié)構(gòu)符合彈性本構(gòu)模型；（2）施工過程中僅考慮自重影響，暫不考慮地下水的影響；（3圍巖與車站主體結(jié)構(gòu)的變形均在彈塑性變形范圍內(nèi)；（4）周圍地層均為水平、均質(zhì)和各向同性的。

整個模型的橫向尺寸取開挖斷面的3倍，縱向尺寸取洞身長度的2倍，開挖方向取實際長度的1.5倍，即模型總體尺寸取值為 150m×90m×60m 土體采用六面體單元，初期支護、中板采用板單元，邊樁、鋼管柱采用梁單元。建立的4種施工方案的模型中，中洞法、側(cè)洞法、柱洞法和PBA工法的單元數(shù)量分別為53269、50039、42282和50887個。模型地層數(shù)據(jù)按照現(xiàn)場地質(zhì)勘察實測選取，初期支護、二次襯砌、樁、柱、梁等彈性模量按照2 2～3.25×10⁴MPa 設(shè)置，泊松比均為0.2，超前注漿彈性模量為50 MPa ，泊松比為0.23。構(gòu)建的數(shù)值模型如圖2所示。

4.2施工步驟設(shè)定

中洞法施工分為6個步驟：中洞開挖-底頂縱梁、柱施作-側(cè)洞開挖-底板施作-側(cè)墻施作-頂板施作。側(cè)洞法施工分為7個步驟：側(cè)部導(dǎo)洞開挖-冠梁、鋼管柱、條形基礎(chǔ)施作-側(cè)洞底板施工-側(cè)墻施工-側(cè)洞施工→中洞開挖-施工完成。柱洞法施工分為7個步驟：中側(cè)部導(dǎo)洞開挖-冠梁、條形基礎(chǔ)、鋼管柱施作-部分中板施作-側(cè)部導(dǎo)洞開挖-底板施工-側(cè)墻施工-頂板施工。PBA工法施工分為5個步驟：導(dǎo)洞開挖-縱梁、冠梁、邊樁和鋼管柱等施作-二襯扣拱施工-上側(cè)墻及中板施工-下側(cè)墻及底板施工。

4.3模擬結(jié)果分析

4.3.1地表沉降對比

不同施工方案下地表最大沉降和拱底最大隆起變形量對比如圖3所示。由圖3可知：4種施工方案下，側(cè)洞法的地表沉降和拱底隆起量最大，分別達到15. 46mm 和4mm，PBA工法的地表沉降和拱底隆起量最小，分別僅為 ，從控制地表沉降和變形方面考慮，宜優(yōu)先選擇PBA工法。

1816 15.46 地表沉降值//m 412 12 拱底隆起10.8108 7.564 自2 22 0 8中洞法 側(cè)洞法柱洞法 PBA工法施工方案

4.3.2支護結(jié)構(gòu)位移及受力對比

不同施工方案下支護結(jié)構(gòu)位移和受力情況模擬結(jié)果如表6所示。由表6可知：4種施工方案下，中洞法的最大隆起量和最大沉降量最大，分別達到5.56mm和23.84mm ，側(cè)洞法的最大主應(yīng)力、剪切應(yīng)力和MISES應(yīng)力最大，分別為19441.4kPa、9766.2kPa和20894kPa，PBA工法施工方案下，支護結(jié)構(gòu)的位移和受力在4種方案下均為最小，故從支護結(jié)構(gòu)位移和受力情況考慮，也宜優(yōu)選PBA工法。

4.3.3既有車站結(jié)構(gòu)變形對比

不同施工方案下既有車站后側(cè)墻變形值對比如圖4所示。由圖4可知：4種施工方案下，既有車站后側(cè)墻變形量大小排序為：側(cè)洞法 gt; 中洞法、柱洞法 gt; PBA工法，說明PBA工法對既有車站的影響最小，故宜優(yōu)先選擇PBA工法進行施工。

4.3.4圍巖應(yīng)力與塑性區(qū)對比

不同施工方案下圍巖最大主應(yīng)力和塑性區(qū)對比如表7所示。由表7可知：無論是圍巖最大主應(yīng)力，還是最大塑性區(qū)半徑，亦或是最大塑性應(yīng)變值，PBA工法施工方案均為最小，PBA工法對于圍巖擾動的影響最低，從控制圍巖擾動而言，也應(yīng)該優(yōu)選PBA工法。

5結(jié)語

本文基于新建地鐵車站主體結(jié)構(gòu)密貼下穿既有地鐵車站情況，初選中洞法、側(cè)洞法、柱洞法及PBA工法作為車站的備選施工方案，采用層次分析法和有限元分析法對4種施工方案進行了比選，結(jié)果表明：無論是基于安全還是造價為目標(biāo)，PBA工法均是最優(yōu)選擇，PBA工法在控制地表沉降和變形、抑制支護結(jié)構(gòu)位移和受力、降低對既有車站結(jié)構(gòu)影響和對圍巖擾動等方面均優(yōu)于其他3種施工方案，故本工程應(yīng)優(yōu)選PBA工法施工。 ⑦

參考文獻

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6楊鳳梅，葉至盛.成都地鐵19號線天府商務(wù)區(qū)站矩形斷面礦山法零距離下穿既有車站施工方案J.城市軌道交通研究，2022，25（12）：171-176.

收稿日期：2024-11-10