新建地鐵車站及區(qū)間對緊鄰既有線影響性分析

趙靜

（中鐵建（天津）軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津 300199）

0 引言

隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，臨近既有線的新建地鐵項(xiàng)目也越來越多。如果對新建地鐵設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)，將會(huì)對既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成既有地鐵結(jié)構(gòu)的破壞，引起安全隱患或事故。目前，新建地鐵與既有地鐵之間的關(guān)系可分為新建車站與既有區(qū)間、新建區(qū)間與既有區(qū)間、新建區(qū)間與既有車站、新建車站+區(qū)間與既有車站+區(qū)間4 類。目前對新建車站+區(qū)間與既有車站+區(qū)間研究。張國亮等［1］采用有限差分計(jì)算方法，分析了新建地鐵車站基坑與既有車站結(jié)構(gòu)間的相互影響；薛長遷［2］對臨近既有車站新建地鐵車站基坑施工措施進(jìn)行了優(yōu)化分析，總結(jié)出新建車站基坑的施工方法；趙國［3］針對新建地鐵車站于既有車站小凈距的情況，通過分析自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，制定應(yīng)對措施，確保既有車站的結(jié)構(gòu)安全；朱峰［4］采用數(shù)值分析手段，分析了新建地鐵不同區(qū)域施工對既有車站產(chǎn)生的影響，確定施工控制點(diǎn)；朱光亞［5］采用有限元方法，分析了新建地鐵基坑對既有車站結(jié)構(gòu)變形的影響；萬朝棟［6］對新建地鐵下穿既有城鐵地鐵同臺(tái)換乘站改技術(shù)進(jìn)行了研究。

以臨近6號線鞍山西道站的8號線車站和區(qū)間為工程背景，建立了臨近既有線的車站及區(qū)間三維有限元模型，對不同施工步序下既有線位移、應(yīng)力及承載力變化特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。所得結(jié)論可為類似條件下既有線的保護(hù)提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 新項(xiàng)目概況

天津地鐵8 號線鞍山西道站為島式站臺(tái)車站，主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段總寬度為25.7m，有效站臺(tái)寬度16m，標(biāo)準(zhǔn)段為地下3 層雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，底板底埋深約24.01m，車站范圍正線線間距19.2m。兩端接盾構(gòu)區(qū)間，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑5.9m、外徑6.6m，車站大、小里程端均為盾構(gòu)始發(fā)。

車站共設(shè)兩組風(fēng)亭、4個(gè)出入口，以及與地鐵6號線車站的換乘通道一個(gè)。A號出入口為預(yù)留出入口；B號出入口與1號風(fēng)道結(jié)合設(shè)置；C號出入口與2號風(fēng)道結(jié)合設(shè)置；D號出入口與6號線鞍山西道站結(jié)合設(shè)置。

1.2 與既有線位置關(guān)系

8號線鞍山西道站與已運(yùn)營的6號線鞍山西道站“T”字換乘，換乘節(jié)點(diǎn)在6號線施工時(shí)已完成。6號線車站為地下雙層島式車站，并設(shè)3 處出入口。新建8號線下穿既有6號線車站主體。8號線31.45m長區(qū)間和175.7m長車站施工對6號線存在影響。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，場地埋深80m 深度范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分為以下10層，按力學(xué)性質(zhì)可進(jìn)一步劃分為18個(gè)亞層，自上而下分別為：人工填土層（雜填土①1、素填土①2）、全新統(tǒng)上組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土④1、砂質(zhì)粉土④2）、全新統(tǒng)中組海相沉積層（粉質(zhì)黏土⑥1、粉質(zhì)黏土⑥4）、全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層、全新統(tǒng)下組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土⑧1、砂質(zhì)粉土⑧2）、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土⑨1、砂質(zhì)粉土⑨2）、上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層（粉質(zhì)黏土?、粉砂?2、粉砂?4）、上更新統(tǒng)第二組海相沉積層、上更新統(tǒng)第一組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土?1、粉質(zhì)黏土?3）。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 數(shù)值模型的建立

計(jì)算采用巖土有限元分析軟件建立整體三維有限元模型如圖1所示。進(jìn)行計(jì)算分析。以南北向?yàn)閄軸，東西向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸建立三維模型計(jì)算分析，為消除模型邊界效應(yīng)，X軸方向取400m，Y軸方向取400m，Z 軸方向取61.1m。模型計(jì)算采用混合六面體單元，共劃分單元346447 個(gè)，節(jié)點(diǎn)57742 個(gè)。新建8號線與既有6號線模型位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 三維有限元計(jì)算模型

圖2 新建8號線與既有6號線模型位置關(guān)系

模型邊界條件：頂面為自由面，無約束；底面每個(gè)方向均約束；4個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

計(jì)算假設(shè)：認(rèn)為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)；將建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)樁通過抗彎剛度折減等效成地下連續(xù)墻；樁基與土層之間為摩擦接觸；采用施工步來模擬整個(gè)施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時(shí)間效應(yīng)。

3.2 計(jì)算參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變硬化的本構(gòu)模型，模型參數(shù)取值見表1。承臺(tái)和樁基采用實(shí)體單元模擬；軌道交通結(jié)構(gòu)采用板單元模擬。混凝土結(jié)構(gòu)重度均為25kN/m3，結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 模型結(jié)構(gòu)體計(jì)算參數(shù)

3.3 模擬步驟

車站主體開挖步驟如圖4 所示，將計(jì)算模擬分為26步，具體模擬情況：初始應(yīng)力場，施作既有軌道交通結(jié)構(gòu)，位移清零；主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、立柱樁及地連墻施工；主體基坑第一步土體開挖并架設(shè)第一道支撐；主體基坑第二步土體開挖并架設(shè)第二道支撐；主體基坑第三步土體開挖并架設(shè)第三道支撐；主體基坑第四步土體開挖并架設(shè)第四道支撐；主體基坑第五步土體開挖并架設(shè)第五道支撐；主體基坑開挖至基坑底并施做車站底板；主體向上回筑側(cè)墻、施做第二層中板；主體向上回筑側(cè)墻、施做第一層中板；主體向上回筑側(cè)墻、施做頂板；主體基坑拆除第一道支撐、回填覆土；2號風(fēng)亭及B口立柱樁、地連墻施工；2號風(fēng)亭及B口第一步土體開挖并架設(shè)第一道支撐；2 號風(fēng)亭及B 口第二步土體開挖并架設(shè)第二道支撐；2 號風(fēng)亭及B 口第三土體開挖并架設(shè)第三道支撐；2 號風(fēng)亭及B 口基坑開挖至坑底并施做2號風(fēng)亭底板；2號風(fēng)亭施做中板、B 口施做底板；2 號風(fēng)亭及B 口向上回筑側(cè)墻、施做頂板；2號風(fēng)亭及B口基坑拆除第一道支撐、回填覆土；D口圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；D口第一步土體開挖并架設(shè)第一道支撐；D口第二步土體開挖并架設(shè)第二道支撐；D口基坑開挖至坑底并施做底板；D口向上回筑側(cè)墻并施做頂板；D口基坑拆除第一道支撐、回填覆土；鞍山西道站-南豐路站區(qū)間左線盾構(gòu)施工；鞍山西道站-南豐路站區(qū)間右線盾構(gòu)施工。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

將28 個(gè)模擬步驟分為4 個(gè)大步驟：車站主體施工、2號風(fēng)亭及B口施工、D口施工和區(qū)間施工，文中以4個(gè)大步驟進(jìn)行針對性分析。

3.4.1 位移分析

不同步驟下6號線車站水平位移和豎向位移云圖如圖3、圖4 所示。由圖3、圖4 可知：4 個(gè)大步驟下車站水平位移均整體上呈“正向端負(fù)向水平位移，負(fù)向端正向水平位移”的分布特征；8 號線車站主體施工時(shí)，靠近其一側(cè)的6號線車站豎向位移較大，且發(fā)生向上隆起位移；2 號風(fēng)亭及B 口施工時(shí)，附近的6 號線車站向上的隆起位移明顯增大；同樣的情況也出現(xiàn)在D口、區(qū)間施工階段；6 號線車站豎向位移整體上呈“靠近8號線一側(cè)大，遠(yuǎn)離8號線一側(cè)小”的分布特征。

圖3 地鐵完成后6號線車站水平位移云圖

圖4 地鐵完成后6號線車站豎向位移云圖

6號線結(jié)構(gòu)隨施工步變化曲線如圖5所示。由圖5 可知：①對于6 號線車站主體，水平位移在8 號線車站回填覆土階段和2號風(fēng)亭及B口開挖至坑底階段出現(xiàn)了2次波動(dòng)，整體上是以負(fù)值形式增大；豎向位移在在2號風(fēng)亭及B口開挖至坑底前階段一直處于增大狀態(tài)，該施工步后豎向位移有一定幅度減小，在D 口第一步土體開挖后再次增大，D口開挖至坑底后豎向位移再次減小，區(qū)間施工階段變化較小；②于6號線B出入口及2 號風(fēng)道，水平位移和豎向位移在前2 個(gè)階段隨施工進(jìn)展逐漸增大，在后2 個(gè)階段水平位移和豎向位移變化很??；③對于6號線C出入口，水平位移在前2 個(gè)階段隨施工進(jìn)展逐漸增大，在后2 個(gè)階段水平位移和豎向位移有所減??；豎向位移在8 號線2 號風(fēng)亭及B口第二步土體開挖階段前變化不大，該施工步以后減小繼續(xù)保持不變，在D 口第一步土體開挖時(shí)增大，在D 口第二步土體開挖后保持穩(wěn)定；④對于區(qū)間隧道，在2 號風(fēng)亭及B 口第一步土體開挖前水平位移和豎向位移先增大，該施工步以后，水平位移和豎向位移先以負(fù)位移減小再以正位移增大，后2 個(gè)階段位移變化不大；⑤6 號線C 出入口水平位移和豎向位移相差不大，6號線車站主體、B出入口及2號風(fēng)道、區(qū)間隧道的豎向位移大于水平位移。

圖5 6號線結(jié)構(gòu)位移隨不同施工步變化曲線

3.4.2 應(yīng)力分析

6號線結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力隨不同施工步變化曲線如圖6 所示。隨著新建地鐵的施工，臨近既有線的結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨不同施工步的影響出現(xiàn)一定的波動(dòng)。但應(yīng)力變幅很小。由既有結(jié)構(gòu)底板最大主應(yīng)力云圖可以看出，隨著新建地鐵下穿段的開挖，最大主應(yīng)力呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，且最大值發(fā)生在開挖過程中而非開挖結(jié)束后。6號線各部位最大應(yīng)力均不超過混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

圖6 6號線結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力隨不同施工步變化曲線

3.4.3 承載力分析

6號線結(jié)構(gòu)彎矩隨不同施工步變化曲線如圖7所示。根據(jù)6號線施工圖紙結(jié)構(gòu)截面尺寸和配筋核實(shí)雙向受彎承載能力。在8號線施工過程中可能出現(xiàn)的最不利彎矩均未超過極限彎矩，說明6 號線結(jié)構(gòu)承載力仍存在一定安全余量。

圖7 6號線結(jié)構(gòu)彎矩隨不同施工步變化曲線

4 影響性分析

根據(jù)國家地鐵保護(hù)規(guī)范，結(jié)合既有6 號線現(xiàn)狀檢測結(jié)果和天津市工程經(jīng)驗(yàn)，確定6 號線車站及區(qū)間隧道的位移控制指標(biāo)：車站及區(qū)間隧道豎向位移15mm，車站及區(qū)間隧道水平位移10mm。位移控制統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表3 中，車站主體結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移最大值分別為-0.94、5.28mm，B 出入口及2 號風(fēng)亭組的水平位移和豎向位移最大值分別為0.861mm、-1.266，C出入口水平位移和豎向位移最大值分別為-1.062、0.95mm，區(qū)間隧道水平位移和豎向位移最大值分別為-0.664、3.3mm。均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 位移控制統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mm

5 結(jié)語

建立了臨近既車站和區(qū)間的新建明挖車站和盾構(gòu)區(qū)間的三維有限元模型，基于數(shù)值分析結(jié)果，分析了既有地鐵車站和區(qū)間的位移、應(yīng)力及承載力變化特征，主要結(jié)論如下：

（1） 新建地鐵工程與既有線距離近，基坑開挖引起卸荷效應(yīng)顯著，導(dǎo)致了鄰近的既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯水平位移和豎向位移。其中車站主體和區(qū)間隧道以豎向位移主，豎向位移約為水平位移的5倍左右。

（2） 既有線結(jié)構(gòu)位移主要發(fā)生在基坑開挖階段，回筑階段趨于穩(wěn)定，未有明顯變化，對既有線安全保護(hù)應(yīng)重點(diǎn)在基坑開挖階段。

（3） 新建地鐵B出入口及2號風(fēng)道施工階段，既有線結(jié)構(gòu)位移存在明顯波動(dòng)，正負(fù)位移相互轉(zhuǎn)換，是既有線結(jié)構(gòu)監(jiān)測的關(guān)鍵階段。

（4） 根據(jù)數(shù)值分析，既有線車站主體（含附屬結(jié)構(gòu)）最大位移5.28mm，區(qū)間隧道最大位移3.3mm，各部位結(jié)構(gòu)位移控制指標(biāo)未超過容許值，且承載力未超過極限值，可認(rèn)為新建地鐵工程施工方案合理，使得既有線結(jié)構(gòu)安裝可控。