基于Midas-GTS NX的新建地鐵隧道施工對既有地鐵車站影響的研究

楊 陳

（四川大學錦江學院， 四川 眉山 620860）

0 引言

隨著城市化進行的飛速發(fā)展，越來越多的大型城市地面交通已經(jīng)不堪重負，而大多數(shù)城市解決這個問題的方法就是大力的發(fā)展地下地鐵，因此，各大城市的地鐵的建設(shè)已經(jīng)進入了一個全新并且快速的時代②。而地鐵的大量修建的同時，我們又不得不面臨著一個十分重大的問題：新建的地鐵線路下穿或者跨越既有建筑物的問題。怎樣安全、快速、高效的完成下穿或者跨越工程的建設(shè)成為了目前地下工程的最為嚴峻的問題。因此，要做到準確預測城市地下鐵道下穿工程施工過程中早已修建的地鐵車站結(jié)構(gòu)變形以及內(nèi)力的變化影響特征和規(guī)律就顯得十分重要③。特別是在于新建隧道對于既有構(gòu)造物的穿越時，能清晰地模擬施工的全過程，做到對于既有構(gòu)造物的變形與內(nèi)力的變化全掌握，就能更好地控制下穿工程的安全、有效進行。

本文以實際工程為背景，運用Midas—GTS NX軟件建立既有地鐵車站（在2011年已經(jīng)開通運營的重慶軌道交通3號線重慶北站（南廣場站））被新建地鐵隧道（重慶北站南廣場軌道交通環(huán)線）下穿模型，通過軟件的模擬在施工的過程當中，當遇到地下工程既有構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)等相類似的復雜條件影響時④，新建地鐵隧道如何安全、有效地下穿運營中的既有地鐵車站，并分析既有地鐵車站的結(jié)構(gòu)變形的影響特征和規(guī)律，也為以后類似的工程提供借鑒和參考⑤。

1 項目概況

本次模型建立選擇的新建地鐵隧道對象為重慶軌道交通環(huán)線重慶北站工程，其修建地址為重慶市江北區(qū)重慶北站南廣場，而相應選擇的已經(jīng)修建好的地鐵車站為在 2011年已經(jīng)開通運營的重慶軌道三號線其中一個車站。而線路與車站的交接點在重慶北站南廣場地下大約32m處?？偣灿?條地鐵線路在此相交，分別為軌道10號線、環(huán)線以及3號線。既有車站軌道交通3號線重慶北站車站靠近重慶市龍頭寺火車站南廣場，整個地鐵車站的線路樁號起點樁號為：K18+996.630，終點樁號為：K19+203.630。整個車站目前為止還沒有開通換乘線路，但是預計在將來重慶北站將會成為一兩條線路的中間換乘車站⑥。所以在下穿這座車站時的施工難度可想而知，這也體現(xiàn)出建立模型指導施工的重要性所在。

根據(jù)資料中所示，計劃修建的重慶北站環(huán)線車站在垂直于既有3號線車站方向長231.7m，設(shè)計計劃建設(shè)15m島式站臺車站，而在修建的過程中根據(jù)設(shè)計的需要會從既有3號線車站下方穿過。而根據(jù)總體的設(shè)計規(guī)劃圖所示，在此處會采用3個不同的分區(qū)進行施工（分區(qū)詳見圖1）以便安全的通過該區(qū)域，A區(qū)為明挖段，位于既有市政道路下方，地下五層箱型框架結(jié)構(gòu)，斷面凈高29.91m，凈寬23.1m；B區(qū)為暗挖段采用淺埋暗挖法施工，其位置為3號線重慶北站下方，斷面凈高14.62m，凈寬22.2m；C區(qū)主體結(jié)構(gòu)包含C1區(qū)豎井在內(nèi)的幾個部分組成，和A區(qū)一樣采用明挖法進行施工（結(jié)合現(xiàn)場施工條件所決定），框架式地下三層箱型結(jié)構(gòu)，斷面凈高24.40m，凈寬58.75m。

圖1 計劃建設(shè)的地鐵車站與既有線路示意圖

新建地鐵隧道環(huán)線位于既有地鐵車站重慶軌道三號線下方，環(huán)線隧道拱頂與既有車站底部最小凈距7.2m穿越段長度為45m。而既有地鐵車站在這個區(qū)間段的主體總長度為207m，寬度38.4m，而整個車站在設(shè)計施工時選擇的是框架式地下兩層箱型結(jié)構(gòu)，隧道拱頂標高為254.11m，拱底標高為240.51m，覆土為1.5m。

2 定性分析

①由于新建地鐵隧道車站C區(qū)采用明挖法施工，而在施工的過程當中可能會由于基坑深度開挖過大，對既有3號線地鐵車站重慶北站豎向位移及線路產(chǎn)生影響，因此需要準確地確定其變形量。

②而根據(jù)設(shè)計資料可知，在以往3號線的施工過程當中已經(jīng)為后來環(huán)線的施工預留了下穿條件，但是由于施工的擾動仍需對環(huán)線下穿后的周圍圍巖和既有車站進行內(nèi)力計算分析。

3 數(shù)值計算

3.1 計算模型

本次模型建立采用Midas GTS NX模擬計算過程，對整個下穿工程進行模擬④。采用建立開挖過程全程模擬的三維模型的形式模擬整個施工的過程，并分別對于開挖區(qū)域A、B、C三個區(qū)域在開挖的過程中既有車站的內(nèi)力及變形進行研究，并根據(jù)模型的數(shù)據(jù)資料進行匯總分析。模型尺寸選擇長度為150m，寬為80m，高為70m，計算邊界的設(shè)定也是假設(shè)的在地下封閉的環(huán)境下的約束條件，模型底端采用的是約束豎向位移，兩側(cè)采用的是約束水平位移，而地表不進行相應的約束。

計算模型采用的巖土參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1、表2所示：

表1 支護的物理力學參數(shù)

表2 巖土材料參數(shù)

3.2 計算步序

①模擬A區(qū)基坑開挖時，既有車站的位移情況

②模擬C區(qū)基坑開挖時，既有車站的位移情況

③模擬B區(qū)基坑開挖和環(huán)線開挖時，既有車站的位移情況。

3.3 計算結(jié)果

①A區(qū)基坑開挖 ②B、C區(qū)基坑結(jié)構(gòu)施工及巖體開挖

圖2 A區(qū)地層豎向位移云圖（單位 m）

圖3 B、C區(qū)地層豎向位移云圖（單位 m）

4 結(jié)論

①在新建地鐵隧道環(huán)線下穿既有3號線地鐵車站時，環(huán)線施工開挖過程當中，由于卸載的作用引起 3號線地鐵車站出現(xiàn)了上浮現(xiàn)象，且上浮值為5.7mm，水平移動值為0.9mm，在15mm的可控標準之內(nèi)；

②既有地鐵 3號線線路由于新建隧道的修建導致了縱向不均勻變形約1/8000，滿足不大于1/5000的控制標準；

③在下穿施工的過程中既有地鐵車站的內(nèi)力一直在發(fā)生著變化，其變化隨著施工的完結(jié)而逐步呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。既有車站內(nèi)力變化較小的是遠離施工段的區(qū)域，反之，越靠近下穿段的區(qū)域內(nèi)力變化值也就越大，最大值出現(xiàn)在下穿段隧道拱頂與既有車站最接近處。因此，在實際的建設(shè)當中，如果遇到類似的工程時，應重點監(jiān)控該區(qū)段施工過程中的圍巖內(nèi)力以及位移的變化，勤量測，多布點的形式確保施工的安全。而本下穿工程在實施過程中更應如此⑦；

④為了減小新建隧道下穿既有車站時對于既有車站變形與內(nèi)力的影響，可以在下穿段施工前預先對于既有車站進行打錨桿和預注漿的方式增強其結(jié)構(gòu)的強度，如果下穿段過于接近時，也可在新建隧道的頂部進行管棚注漿的形式，來保證下穿段施工時的穩(wěn)定⑧。由于在下穿施工當中很難兼顧到內(nèi)力和變形的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，因此，在選擇對車站結(jié)構(gòu)進行加強來控制其變形時，不可避免的會使其結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，這也是我們在施工過程中應該關(guān)注的方面。因此在下穿施工中控制既有車站結(jié)構(gòu)的沉降變形最值得參考辦法是對其周圍的巖石進行注漿加固⑨。