吳志堅

(福建巖土工程勘察研究院，福建福州 350001)

為滿足車站相互換乘要求，新建地鐵車站必然會與既有地鐵車站發(fā)生臨近或者穿越關(guān)系，新建地鐵車站的施工也必然會對已運營的既有車站產(chǎn)生影響。地鐵車站工程涉及車站主體施工、車站附屬結(jié)構(gòu)(包括換乘結(jié)構(gòu))施工、車站區(qū)間施工等多個工點，因此新建車站穿越既有車站施工具有風險點多、風險大、施工工藝種類多等特點。

目前，對于穿越工程中新建車站與既有車站之間的影響研究相對較少，本文以實際工程為依托，通過三維有限元軟件ANSYS進行模擬計算分析，并對比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析穿越地鐵工程引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形及軌道幾何形位的變化規(guī)律。

1 工程概況

某城市新建地鐵A號線在既有地鐵B號線的車站穿越并換乘，新建車站采用了分離島式站臺，車站總長190m左右，東西兩個主體結(jié)構(gòu)凈寬均為11.75m，結(jié)構(gòu)形式為雙層單跨的拱頂直墻結(jié)構(gòu)，車站頂板覆土約為5m。車站東西兩個主體均設(shè)置南北兩個風道及風井。車站北側(cè)區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，車站南側(cè)區(qū)間為礦山法施工。

既有地鐵B號線車站為東西走向的端頭廳式車站，車站覆土4.5m，底板埋深12.5m。車站結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)，車站結(jié)構(gòu)長169.7m，寬20.3m，高7.95m;底板厚度0.9m，側(cè)墻厚度1.0m，頂板厚度1.0m。既有車站采用明挖法施工，每隔約30m設(shè)有變形縫。平面位置關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，車站拱頂主要土層為粉土層粉質(zhì)黏土層和粉砂層。車站底板位置土層主要為礫巖層，局部有泥巖層、砂巖層。下穿既有B號線段位置土層主要為礫巖層，局部有泥巖層，局部在卵石層。車站埋深處未涉及到地下水。

2 模型的建立

2.1 模型及假定

計算模型結(jié)合實際工程，采用ANSYS有限元軟件進行仿真計算。模型采用地層—結(jié)構(gòu)三維實體模型。模型中包括土體、新建下穿車站、既有車站主體結(jié)構(gòu)、道床板等。單元類型均采用Solid45及shell63單元。

為使模型網(wǎng)格劃分效果較優(yōu)，并考慮盡可能消除邊界條件帶來的影響，結(jié)合新建下穿車站與既有車站主體及軌道結(jié)構(gòu)相對位置，模型沿既有地鐵線路方向(Z軸方向)取200m，垂直既有地鐵線路方向(X軸方向)取70m，沿地層深度方向(Y軸方向)取50m。計算模型如圖2、圖3所示。模型計算時，土體四周及底部采用法向約束，地表為自由邊界。

圖1 新建車站與既有車站平面位置關(guān)系

圖2 模型位置關(guān)系

圖3 模型細部示意

在進行穿越模擬計算時，有如下基本假定:

①土體為各向同性、均值的理想彈塑性體，簡化地表和各層土體，使其均呈勻質(zhì)的水平層狀分布;

②初始地應(yīng)力在模型計算只考慮土體自重應(yīng)力，不考慮地下水的影響;忽略巖土體構(gòu)造應(yīng)力，使巖土體在自重作用下，土體達到平衡，而后再進行盾構(gòu)施工的開挖;

③假定既有地鐵的隧道結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)變形一致;

④假定既有鐵路在施工前路基及軌道結(jié)構(gòu)處于良好狀態(tài)。

2.2 參數(shù)取值

根據(jù)實際工程中地質(zhì)勘查報告所提供的地層參數(shù)，模型中選擇土體參數(shù)時，對一定深度范圍內(nèi)巖土類別相近的巖土體進行合并，并對土體參數(shù)進行綜合取值。各項參數(shù)取值如表1所示。

表1 實體模型參數(shù)

2.3 施工過程的模擬與實現(xiàn)

在進行數(shù)值模擬分析時，對施工步驟進行簡化。根據(jù)新建車站施工方案確定有限元分析步驟，東西兩側(cè)車分六個導洞開挖。模擬分析時的具體三個階段施工步驟如下。

階段一:東西兩側(cè)車站同時開挖，開挖貫通1、2導洞，完成二襯后進行該位置處千斤頂頂升;階段二:繼續(xù)同時開挖貫通兩側(cè)車站3、4號導洞，二襯完成后進行該位置處千斤頂頂升;階段三:繼續(xù)同時開挖貫通兩側(cè)車站5、6號導洞，進行二襯施工，完成車站下穿既有站施工，如圖4所示。

圖4 模擬施工階段

3 車站結(jié)構(gòu)及軌道變形規(guī)律

3.1 既有車站結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)變形

模擬施工結(jié)束后，既有車站主體結(jié)構(gòu)累積豎向最大變形值為2.79 mm，發(fā)生在開挖導洞對應(yīng)主體結(jié)構(gòu)底板;累積橫向變形最大值為0.122 mm，發(fā)生在車站兩處側(cè)墻。變形云圖如圖5、圖6所示。

圖5 車站主體豎向變形云圖

圖6 車站主體橫向變形云圖

地鐵無砟軌道的道床結(jié)構(gòu)變形直接反應(yīng)了軌道結(jié)構(gòu)整體變形情況，因此選取道床縱向各點變形進行分析。

各階段施工完成后，既有線軌道結(jié)構(gòu)變形最大值如表2所示。

表2 各施工階段軌道結(jié)構(gòu)最大變形值 mm

表2所示的穿越施工引起最大沉降值發(fā)生在既有軌道結(jié)構(gòu)對應(yīng)穿越位置處，變形縫差異沉降值發(fā)生在臨近穿越位置處變形縫兩側(cè)，橫向變形發(fā)生在既有軌道結(jié)構(gòu)對應(yīng)穿越位置處。

得到軌道結(jié)構(gòu)橫、豎向變形曲線(如圖7、圖8所示)。

圖7 軌道結(jié)構(gòu)豎向位移曲線

圖8 軌道結(jié)構(gòu)橫向位移曲線

通過上述數(shù)值模擬分析可以得到以下規(guī)律:

①穿越位置處既有軌道結(jié)構(gòu)變形值最大，距穿越位置越遠，變形量越小，影響范圍為穿越位置兩側(cè)各30m。

②既有結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)變形縫時，變形縫兩側(cè)會產(chǎn)生比較明顯的差異沉降，最大差異沉降值達到0.40 mm。

③采用分導洞開挖的方式時，既有軌道結(jié)構(gòu)在首先開挖貫通1、2號導洞時產(chǎn)生的變形占總變形比例最大，1、2號導洞封閉成型后再開挖臨近導洞引起的沉降增幅有限。在進行施工及既有線監(jiān)測時，應(yīng)對首先開挖導洞予以特別注意。

3.2 軌道幾何形位變形

在假定鋼軌與所連接的道床變形協(xié)調(diào)前提下，可以通過采集模型中鋼軌位于道床位置的數(shù)據(jù)分析鋼軌變形情況，提取軌1、軌2、軌3、軌4的變形數(shù)據(jù)，分析各階段軌道幾何形位變化情況。

在模型中提取10m弦長范圍內(nèi)軌道的高低變化，各施工階段軌道結(jié)構(gòu)高低偏差值如表3所示。

表3 各施工階段高低偏差值

提取相鄰兩軌沉降差值即為軌道的水平變化，通過計算可知，既有線軌道結(jié)構(gòu)水平變化最大值為－0.53 mm，軌道結(jié)構(gòu)水平變化曲線如圖9所示。

圖9 各施工階段軌道結(jié)構(gòu)水平變化曲線

提取各施工階段相鄰兩軌的橫向變化值，其差值即為軌距變化，通過計算結(jié)果可知，軌距最大變化值為0.065 mm，軌距變大。各階段軌距變化曲線如圖10所示。

圖10 各施工階段軌道結(jié)構(gòu)軌距變化曲線

4 實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析

4.1 軌道結(jié)構(gòu)變形對比

本工程施工監(jiān)測內(nèi)容主要包括既有車站結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)的豎向變形監(jiān)測及幾何形位的檢查。軌道結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測點布置如圖11所示，總共布置了39個自動化監(jiān)測點，北線(下行線)布置了20個點，南線(上行線)布置了19個點，其中，點Z20和Y19作為參照點，不提取數(shù)據(jù)。自動化監(jiān)測點主要布置在新建車站下穿處和變形縫兩側(cè)，通過提取變形縫兩側(cè)監(jiān)測點數(shù)據(jù)的差值，同時可以得到變形縫處軌道結(jié)構(gòu)的差異沉降。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，軌道結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為296 mm，發(fā)生在Z6點(穿越中心位置)，變形縫兩端差異沉降0.07 mm，發(fā)生在Z11與Z12監(jiān)測點處變形縫兩側(cè)。南線(上行線)軌道結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為2.97 mm，發(fā)生在Y7監(jiān)測點(穿越中心位置)處;變形縫兩端差異沉降0.47 mm，發(fā)生在Y11與Y12監(jiān)測點處變形縫兩側(cè)。

將軌道結(jié)構(gòu)實測結(jié)果與數(shù)值模擬對應(yīng)測點位置進行對比可得對比曲線如圖12所示。

由既有軌道結(jié)構(gòu)沉降實測值與模擬值對比可以看出，階段三施工完成后所造成的既有軌道結(jié)構(gòu)沉降實測值與模擬值在量值和趨勢上都較為相似。在監(jiān)測測點位置軌道結(jié)構(gòu)沉降實測值與模擬值最大誤差為39%，位于北線Z3位置處。變形縫兩側(cè)軌道結(jié)構(gòu)實測最大值0.47 mm比模擬最大值0.40 mm大了0.07 mm。同時，對比車站整體軌道結(jié)構(gòu)沉降最大值，實測最大值2.97 mm比模擬最大值2.56 mm大14%。

4.2 軌道幾何形位變形對比

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得各施工階段鋼軌水平及軌距偏差值，如圖13、圖14所示。

圖11 軌道結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測點布置

圖12 軌道結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)與模擬計算對比曲線

圖13 軌道結(jié)構(gòu)各施工階段水平偏差實測值

圖14 軌道結(jié)構(gòu)各施工階段軌距偏差實測值

由圖13可知，軌道結(jié)構(gòu)水平偏差最大值為－2 mm，各施工階段水平變化最大值為1.0 mm。軌道結(jié)構(gòu)水平變化模擬計算最大值為0.53 mm，由于實測監(jiān)測誤差為1.0 mm，因此，軌道結(jié)構(gòu)水平變化模擬計算值可信。

由圖14可知，軌道結(jié)構(gòu)軌距偏差最大值為+2 mm，各施工階段軌距變化最大值為2.0 mm。軌道結(jié)構(gòu)軌距變化模擬計算最大值為0.065 mm，實測軌距變化出現(xiàn)2.0 mm的點為單點，其他點軌距變化最大值均為1.0 mm，且實測監(jiān)測精度為1.0 mm，因此，排除測量測量誤差因素，軌道結(jié)構(gòu)軌距變化模擬計算值依然可信。

5 新建車站穿越既有車站安全控制

在新線車站工程建設(shè)中不僅要保證工程自身的安全，同時還要保證不致對既有車站結(jié)構(gòu)特別是軌道結(jié)構(gòu)造成破壞性的影響，進而影響到運營安全，這是穿越既有線施工的主要技術(shù)難題，關(guān)鍵技術(shù)體系應(yīng)該確保二者的安全。保護既有軌道結(jié)構(gòu)變形不超限的主要措施包括以下幾個部分:

①對于既有運營線而言，一般情況下，按照軌道結(jié)構(gòu)附加變形3 mm做為安全性的控制標準。

②既有軌道結(jié)構(gòu)加固的主要措施是進行軌道防護，軌道防護是在施工前根據(jù)地鐵現(xiàn)狀，對既有地鐵結(jié)構(gòu)進行修整，包括裂縫處理、道床和結(jié)構(gòu)脫離的整治等等，以提高既有地鐵軌道結(jié)構(gòu)的承受能力。

③對既有結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，包括隧道結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)和軌道靜態(tài)幾何尺寸等。

④在設(shè)計階段應(yīng)綜合考慮方案的優(yōu)劣，制定合理有效的安全控制措施，盡量減少施工引起的既有結(jié)構(gòu)的附加變形影響。

6 結(jié)論

(1)穿越施工完成后，既有軌道結(jié)構(gòu)附加變形值及軌道幾何形位的變化值均在安全控制指標范圍內(nèi)，因此，新建車站穿越施工并不會影響地鐵1號線的安全運營。

(2)穿越施工完成后，穿越位置處既有軌道結(jié)構(gòu)變形值最大，距穿越位置越遠，變形量越小，影響范圍為穿越位置兩側(cè)各30m。

(3)既有結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)變形縫時，變形縫兩側(cè)會產(chǎn)生比較明顯的差異沉降，變形縫兩側(cè)最大差異沉降值在1.0 mm以內(nèi)。

(4)采用分導洞開挖的方式時，既有軌道結(jié)構(gòu)在首先開挖貫通1、2號導洞時產(chǎn)生的變形占總變形的比例最大，1、2號導洞封閉成型后再開挖臨近導洞引起的沉降增幅有限。因此，在進行施工及既有線監(jiān)測時，應(yīng)對首先開挖導洞予以特別注意。

(5)三維有限元模型模擬結(jié)果在軌道結(jié)構(gòu)的沉降曲線、最大沉降值、差異沉降值、軌道幾何形位變化上都與現(xiàn)場實際實測值相似。雖然由于在模型建立時，對土層和材料的一些物理力學性質(zhì)、既有車站結(jié)構(gòu)模型、施工方法等簡化處理而引起計算結(jié)果與實際情況的一些差異，但是這并不影響總體上數(shù)值模擬計算的可信性。因此，在施工前，可以采用數(shù)值模擬計算的方式對新線車站穿越既有車站的施工方法進行評價。

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