既有運營地鐵車站底板下分段分步暗挖法施工技術(shù)

吳沛嶺 朱招庚

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院，四川 成都 610031)

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既有運營地鐵車站底板下分段分步暗挖法施工技術(shù)

吳沛嶺 朱招庚

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院，四川 成都 610031)

以某市地鐵換乘車站為研究對象，論述了該換乘節(jié)點分段分步暗挖法施工的開挖工序及支護(hù)措施，并運用MIDAS/Gen建立三維數(shù)值模型，獲得不同開挖工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移，結(jié)果表明采用該工法施工，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移均滿足規(guī)范要求。

地鐵車站，換乘節(jié)點，分段分步，暗挖法

隨著地鐵線網(wǎng)密度的增加，換乘車站數(shù)量顯著增多，因建設(shè)過程中影響因素眾多，部分先期建設(shè)站預(yù)留后期結(jié)構(gòu)實施條件不足，導(dǎo)致后期換乘車站節(jié)點設(shè)計難度增大，給施工及既有線路的運營維護(hù)帶來了極高的風(fēng)險，某市地鐵1號、4號線換乘車站亦存在上述問題，文獻(xiàn)[1]以該換乘站施工為例，宏觀上總結(jié)了換乘節(jié)點的施工方案及監(jiān)測過程，本文詳述了該換乘節(jié)點的開挖工序及支護(hù)措施，通過有限元軟件MIDAS/Gen建立三維數(shù)值分析模型，獲得不同開挖工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移，驗證分段分步暗挖法施工關(guān)鍵技術(shù)的可行性，結(jié)果表明采用該工法施工，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力可滿足原結(jié)構(gòu)底板配筋要求，位移差滿足規(guī)范要求。目前該站已投入運營，工程的順利實施也可為后續(xù)類似工程的建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

某市地鐵1號、4號線換乘車站采用L型換乘，呈東西向布置。1號線為地下2層結(jié)構(gòu)，4號線為地下3層結(jié)構(gòu)，均處于砂卵石地層，車站地面交通繁忙，周邊建筑物密集。換乘節(jié)點需要在既有運營狀態(tài)的1號線車站底板下方施工?，F(xiàn)場預(yù)留條件如下：1號線車站底板下方為4號線換乘節(jié)點共預(yù)留10根鋼管柱，深度為4號線開挖線以下1.4 m；西側(cè)圍護(hù)樁深度為1號線開挖線以下3.58 m；既有1號線底板下未預(yù)留遠(yuǎn)期側(cè)墻鋼筋接駁器。由于1號線預(yù)留的框架柱數(shù)量不能滿足底板下方明挖的豎向受力，預(yù)留的換乘節(jié)點基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度不足，且換乘節(jié)點處于1號線盾構(gòu)區(qū)間與車站接口處，對變形要求異常敏感，因此換乘節(jié)點的施工方法及保證施工期間1號線的安全運營是本工程設(shè)計的重難點。

2 換乘車站節(jié)點暗挖法開挖工序

設(shè)計采用“化整為零、步步為營”的總體思路，分步開挖，分步施工。首先使新舊結(jié)構(gòu)有效連接形成整體，減小施工引起的變形，降低工程風(fēng)險；隨后在既有車站與盾構(gòu)區(qū)間接口下方土體開挖過程中利用小導(dǎo)洞進(jìn)行豎向側(cè)墻及支撐點的施工，形成豎向支撐，有效控制盾構(gòu)區(qū)間與車站接口薄弱環(huán)節(jié)處在砂卵石地層中的變形，確保1號線車站及區(qū)間安全運營；待有效豎向支撐形成后，剩余土體采用分段分步開挖的暗挖法施工，形成換乘節(jié)點。圖1為換乘節(jié)點段開挖工序平面布置圖，開挖工序共六步，詳述如下：

工序一：1)由東向西開挖第一部分土體，并破除此范圍內(nèi)的圍護(hù)樁。2)在④軸與軸交接處鋪設(shè)鋼板。3)在軸與④軸交點處架設(shè)1號H型鋼柱。

工序二：1)施工④軸-950 mm以東車站頂中底板、側(cè)墻、梁及框架柱部分，除北側(cè)第二部分范圍的-3層側(cè)墻及底板外。確保4號線-1層、-2層側(cè)墻與原1號線側(cè)墻可靠連接，頂板、中板與原1號線各層板可靠連接。2)架設(shè)1號臨時鋼管柱。3)由東向西開挖第二部分土體，破除此范圍內(nèi)的圍護(hù)樁。在④軸與軸交接處鋪設(shè)鋼板。4)在軸上架設(shè)2號、3號H型鋼柱。5)施工第二部分范圍內(nèi)底板及側(cè)墻。6)架設(shè)2號臨時鋼管柱。

工序四：1)由東向西開挖第四部分土體，須邊開挖邊架設(shè)豎向H型鋼柱。分別鋪設(shè)Ⅰ號～Ⅲ號鋼板后，架設(shè)7號～10號H型鋼柱，確保H型鋼柱先架設(shè)再逐步進(jìn)行后續(xù)開挖。2)施工西側(cè)擋土墻及鋼花管，確保擋土墻與既有圍護(hù)樁可靠連接。3)施工第四部分范圍內(nèi)的底板及側(cè)墻。

工序五：1)由東向西開挖第五部分土體。2)施工第五部分范圍內(nèi)的底板及側(cè)墻。

工序六：1)由東向西開挖第六部分土體。2)施工①軸處開挖范圍內(nèi)錨桿及擋土墻，確保擋土墻與既有圍護(hù)樁可靠連接。3)施工剩余底板及墻體部分。

3 分段分步暗挖法施工數(shù)值仿真分析

為驗證分段分步暗挖法施工全過程車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移是否滿足規(guī)范要求，采用有限元軟件MIDAS/Gen建立三維數(shù)值分析模型，獲得不同開挖工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移，詳述如下。

3.1 計算理論

對于地鐵車站結(jié)構(gòu)，車站計算模型采用荷載結(jié)構(gòu)模型，一般可采用板(殼)單元、梁單元或墻單元模擬各層板、柱及墻體單元。MIDAS/Gen梁單元的理論依據(jù)是Timoshenko Beam Theory，它具有拉、壓、彎、扭的變形剛度，梁單元的每一個節(jié)點都具有三個方向的線性位移和三個方向的旋轉(zhuǎn)位移，每個節(jié)點都具有6個自由度。

3.2 數(shù)值分析模型建立

根據(jù)車站換乘節(jié)點區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式，本文采用有限元MIDAS/Gen程序，建立三維仿真分析模型，獲取車站節(jié)點范圍板、墻、梁構(gòu)件的受力情況，中板開洞處的應(yīng)力分布情況，數(shù)值仿真分析各工況同設(shè)計開挖工序一致。

1)模型建立。頂、中、底板及換乘節(jié)點底板和各側(cè)墻作為板單元，結(jié)構(gòu)縱梁、橫梁及柱作為三維梁單元。底板與地層之間用豎向只受壓彈簧，側(cè)墻與土體之間用水平只受壓彈簧。節(jié)點計算模型見圖2。

2)計算荷載及材料參數(shù)。a.計算荷載取值。車站覆土荷載為50 kN/m2。側(cè)水、土壓力施工階段按主動側(cè)土壓力計，使用階段按靜止側(cè)土壓力計。水浮力使用階段按抗浮最高水位的全部水浮力進(jìn)行計算，施工階段按降水無水浮力進(jìn)行計算。設(shè)備區(qū)荷載按8 kPa計。列車荷載按列車滿載條件確定。地面超載按20 kPa考慮。結(jié)構(gòu)自重按實際重量計，鋼筋混凝土按25 kN/m3計。b.混凝土：均采用C35混凝土。c.鋼筋：采用HPRB335。

3.3 計算成果分析

表1 位移及內(nèi)力表

計算完成后提取不同開挖工況下1號線車站底板最大正彎矩

及位移見表1。圖3，圖4分別為開挖工序四和施工完成后1號線 車站底板最終狀態(tài)兩種工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移云圖。

據(jù)開挖工序及計算數(shù)據(jù)可見，換乘節(jié)點開挖過程中工序一～工序四施工期間，結(jié)構(gòu)承載力較大，該階段設(shè)計及施工過程須重點關(guān)注。查1號線設(shè)計及竣工資料，其底板配筋為28@150，據(jù)表1計算結(jié)果，開挖過程中底板滿足受力要求，位移差滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

運用數(shù)值仿真分析對換乘節(jié)點段在既有運營地鐵車站底板下分段分步暗挖法施工關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行受力安全性分析，通過開挖后的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和開挖產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及相對位移，可以得到如下結(jié)論：1)由于原線路預(yù)留條件不足，換乘節(jié)點在既有運營車站下方施工期間，保證安全運營是設(shè)計的關(guān)鍵，針對站點情況可采用分段分步暗挖法施工。2)既有車站下方換乘節(jié)點運用基坑開挖時空效應(yīng)理論與實踐結(jié)合，節(jié)點開挖前將新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)連接，形成整體，減小既有車站底板下方施工的變形，極大的降低了工程風(fēng)險。3)施工車站與盾構(gòu)區(qū)間接口下部的換乘節(jié)點，利用小導(dǎo)洞進(jìn)行豎向側(cè)墻及支撐點的施工，形成豎向支撐，極好的控制了盾構(gòu)區(qū)間與車站接口處在砂卵石地層中的變形，更好的保證了既有車站及區(qū)間的安全。采用分段分步開挖施工的暗挖設(shè)計技術(shù)，結(jié)合動態(tài)信息化監(jiān)測手段，實現(xiàn)既有運營地鐵車站下部結(jié)構(gòu)豎向加深擴建站臺層設(shè)計，從而形成換乘節(jié)點。

本工程的順利實施對砂卵石地層中運營車站、運營盾構(gòu)隧道下方當(dāng)預(yù)留條件不充分時的擴建提供了設(shè)計和施工方法的指導(dǎo)。

[1] 陳 中.砂卵石地層過既有線的地鐵暗挖施工技術(shù)[J].山西建筑，2015，41(2)：153-155.

[2] GB 50157—2013，地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 王昌興.MIDAS/Gen應(yīng)用實例教程及疑難解答[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

The key technology for construction by section and by stage using subsurface excavation method under existing subway station floor

Wu Peiling Zhu Zhaogeng

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd,SubwayInstitute,Chengdu610031,China)

Taking a subway transfer station as the research object, the paper detailed the excavation procedure and supporting measures for the construction of interchange joint by section and by stage using subsurface excavation method. At the same time, using MIDAS/Gen establish three-dimensional numerical model in order to obtain the internal force and displacement of the structure under different excavation conditions. The results show that the internal force and displacement of the structure meet the specification requirements.

subway station, interchange joint, by section and by stage, subsurface excavation method

2016-10-23

吳沛嶺(1983- )，女，工程師； 朱招庚(1985- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0116-02

U231.4

A