地鐵T型換乘站建設(shè)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

許健雄

（廣州地鐵建設(shè)管理有限公司 廣州 510330）

0引言

隨著城市軌道交通線網(wǎng)不斷擴(kuò)大，換乘站數(shù)量不斷增加，在鄰近既有車(chē)站范圍內(nèi)實(shí)施后續(xù)換乘線路的情況愈發(fā)常見(jiàn)。相比外部工程，換乘站基坑距離既有地鐵結(jié)構(gòu)更近，施工安全風(fēng)險(xiǎn)更大。對(duì)此，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者采用數(shù)值模擬等方法開(kāi)展關(guān)于換乘站新線建設(shè)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)影響的研究，如：包宸豪［1］采用有限元模型分析了雙側(cè)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有地鐵站的影響；廉功乙［2］建立模型研究了地鐵平行換乘站施工對(duì)既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響；張文超［3］通過(guò)數(shù)值模擬和離心模型試驗(yàn)法研究換乘廳開(kāi)挖對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響；李?。?］通過(guò)數(shù)值分析及施工監(jiān)測(cè)記錄研究了不同基坑開(kāi)挖方式臨近地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響等。

換乘站中在建車(chē)站基坑需緊鄰換乘節(jié)點(diǎn)邊界開(kāi)挖，同時(shí)車(chē)站主體施工過(guò)程中還需要破除既有換乘節(jié)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將在建車(chē)站與既有車(chē)站相接，達(dá)到換乘的目的，故換乘站新線建設(shè)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響包括基坑開(kāi)挖、既有地連墻破除及主體結(jié)構(gòu)施工的影響。因此本文以廣州地鐵某T 型換乘站為背景，通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬方法分析基坑開(kāi)挖、既有車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)破除及車(chē)站主體施工對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形及受力影響。

1 工程背景

1.1 工程概況

本工程為地下兩層車(chē)站，與已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的地鐵車(chē)站T型換乘，以換乘節(jié)點(diǎn)界分為東側(cè)基坑和西側(cè)基坑，西側(cè)基坑長(zhǎng)度約216 m，東側(cè)基坑長(zhǎng)度約100 m，寬度約22.7 m，深度為17.8～19.5 m。既有車(chē)站為地下3 層現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)579.55 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為34.1 m，覆土厚度約2.9～3.7 m；車(chē)站頂、中、底板設(shè)計(jì)為梁板體系，與中柱、內(nèi)襯墻形成為一閉合框架；車(chē)站南側(cè)為兩條暗挖隧道。在建車(chē)站與既有車(chē)站的平、立面位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)工程勘察成果，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)土層主要為〈1〉填土、〈2-1A〉淤泥、〈2-1B〉淤泥質(zhì)土、〈2-4〉粉質(zhì)粘土、〈3-1〉粉細(xì)砂、〈3-2〉中粗砂、〈4N-1〉粉質(zhì)粘土、〈4N-2〉粉質(zhì)粘土、〈5N-1〉粉質(zhì)粘土、〈5N-2〉粉質(zhì)粘土、〈6〉全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、〈7-3〉強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、〈8-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、〈9-3〉微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其中，基坑坑底主要位于〈7-3〉強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和〈8-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，既有車(chē)站主體結(jié)構(gòu)頂部位于雜填土層，底部位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂層中，隧道洞身位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層內(nèi)。

場(chǎng)地內(nèi)的地下水賦存方式主要為第四系松散層孔隙水、層狀基巖裂隙水和斷層帶水3種類型，地下水穩(wěn)定埋深約埋深約1.38～5.10 m。斜穿本車(chē)站的廣三斷裂破碎帶作為較好的地下水通道，其土狀破碎帶滲透性較差，角礫狀及碎裂巖狀破碎帶滲透性較好。

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm 厚地下連續(xù)墻+2道混凝土支撐及1道鋼支撐的組合式支撐體系。地下連續(xù)墻高18.78～23.50 m，墻身采用C35 水下混凝土，鋼筋為HPB300 和HRB400 鋼筋；連續(xù)墻頂設(shè)置冠梁，冠梁尺寸為800 mm×1 000 mm；混凝土支撐尺寸為800 mm×900 mm；鋼支撐直徑為609 mm，厚度為16 mm，材料為Q235。

2 三維建模建立

2.1 計(jì)算范圍

根據(jù)換乘站新線建設(shè)與既有地鐵結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，結(jié)合勘察資料、設(shè)計(jì)方案、施工方案、既有地鐵結(jié)構(gòu)等資料，建立如圖2 所示的三維有限元模型。三維模型包含了擬開(kāi)挖基坑、擬建車(chē)站結(jié)構(gòu)及影響范圍內(nèi)的既有車(chē)站及區(qū)間隧道，模型計(jì)算范圍為長(zhǎng)約510 m，寬約500 m，土層計(jì)算深度為50 m。

2.2 計(jì)算參數(shù)取值

本文采用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系模擬巖土地層，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的壓縮模量、標(biāo)貫值，并結(jié)合已有的工程數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，選取各土層的參數(shù)如表1 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，模型中車(chē)站主體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料參數(shù)如表2所示。

表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil Layer

表2 車(chē)站主體及隧道結(jié)構(gòu)主要參數(shù)Tab.2 Main Parameters of Station Main Body and Tunnel Structure

2.3 邊界條件及荷載條件及工況分析

三維整體模型的邊界條件為：模型底部約束Z方向位移，模型前后兩面約束Y方向位移，模型左右兩面約束X方向位移。三維整體模型的荷載條件為巖土層自重，一般地面按20 kPa，基坑出土口超載按40 kPa，坑邊2 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁超載。

基坑采用非對(duì)稱開(kāi)挖方式，根據(jù)實(shí)際施工工序，本文對(duì)擬建地鐵車(chē)站施工的全過(guò)程進(jìn)行模擬，共分為18個(gè)施工步驟，如表3所示。

表3 在建地鐵車(chē)站施工步驟Tab.3 Construction Steps of Subway Stations under Construction

3 換乘節(jié)點(diǎn)變形及受力分析

基坑開(kāi)挖對(duì)換乘節(jié)點(diǎn)的影響主要為對(duì)相鄰既有車(chē)站主體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響，因此本文重點(diǎn)分析在各工況下兩者變形及受力情況。

3.1 換乘節(jié)點(diǎn)水平位移計(jì)算結(jié)果分析

隨著基坑的開(kāi)挖，既有地鐵結(jié)構(gòu)將向著基坑開(kāi)挖臨空面產(chǎn)生水平位移［5］，在本文的各工況下鄰近基坑的既有車(chē)站主體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)水平位移值如圖3?所示?？芍?，在該施工步驟下，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)水平位移和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)水平位移均較小，位移主要發(fā)生在西側(cè)基坑開(kāi)挖階段及西側(cè)主體結(jié)構(gòu)施工階段；車(chē)站主體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)水平位移最大值發(fā)生在西側(cè)基坑開(kāi)挖到底階段；當(dāng)兩側(cè)基坑均開(kāi)挖到底時(shí)，由于換乘節(jié)點(diǎn)兩側(cè)土體荷載均卸除，車(chē)站結(jié)構(gòu)水平位移減小。

3.2 換乘節(jié)點(diǎn)豎向位移計(jì)算結(jié)果分析

隨著基坑開(kāi)挖卸載，既有地鐵結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)隆起趨勢(shì)，后續(xù)主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中又將出現(xiàn)沉降，在本文的各工況下鄰近基坑的既有車(chē)站主體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移值如圖3?所示?？芍谠撌┕げ襟E下，車(chē)站主體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向位移隨項(xiàng)目施工的進(jìn)行呈微微隆起后再下沉的趨勢(shì)；其中車(chē)站主體沉降較明顯，沉降點(diǎn)主要位于距離基坑較近的部位，最大沉降位移約為5.47 mm，而區(qū)間隧道沉降較?。晃灰浦饕l(fā)生在切除換乘節(jié)點(diǎn)既有地下連續(xù)墻及車(chē)站主體施工階段。

3.3 換乘節(jié)點(diǎn)彎矩計(jì)算結(jié)果分析

各工況下鄰近基坑的既有車(chē)站主體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)彎矩值如圖4、圖5所示?？芍?，車(chē)站主體及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)彎矩隨施工進(jìn)行變化不大，其中車(chē)站主體結(jié)構(gòu)彎矩初始值為6 722.58 kN·m，最大值為6 723.30 kN·m，增量為0.72 kN·m，增幅僅為0.01%；隧道結(jié)構(gòu)彎矩初始值為574.39 kN·m，最大值為577.47 kN·m，增量為3.08 kN·m，增幅為0.54%。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，基于土體修正摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，建立了新建及既有地鐵結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并根據(jù)實(shí)際施工工序，分析了T型換乘地鐵站兩側(cè)基坑開(kāi)挖、既有地下連續(xù)墻切除及主體結(jié)構(gòu)施工對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形與受力影響，得到以下結(jié)論：

⑴ 換乘站新線建設(shè)過(guò)程中對(duì)區(qū)間隧道影響較小，對(duì)既有車(chē)站的豎向變形影響較大，最大變形值為5.47 mm。

⑵換乘節(jié)點(diǎn)兩側(cè)基坑非對(duì)稱開(kāi)挖時(shí)，一側(cè)基坑開(kāi)挖到底時(shí)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移最大，但雙側(cè)基坑均開(kāi)挖到底時(shí)，水平位移大幅度減小。因此采取對(duì)稱開(kāi)挖方式或減小兩側(cè)基坑的開(kāi)挖間隔時(shí)間，可以有效地減小既有線車(chē)站和區(qū)間結(jié)構(gòu)的水平位移。

⑶在換乘節(jié)點(diǎn)處地下連續(xù)墻未切除之前，基坑開(kāi)挖卸載時(shí)產(chǎn)生的既有車(chē)站隆起變形很小，說(shuō)明地連墻的壓頂梁抗浮作用十分明顯［6］；當(dāng)切除地下連續(xù)墻后既有車(chē)站的沉降變形增大明顯，說(shuō)明地連墻對(duì)既有車(chē)站結(jié)構(gòu)變形控制的作用很大，切除后將對(duì)既有線結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生不利的影響。因此，應(yīng)盡可能延緩切除換乘節(jié)點(diǎn)處的地下連續(xù)墻，使其盡可能發(fā)揮控制既有結(jié)構(gòu)沉降的作用。

4.2 建議

⑴根據(jù)三維有限元計(jì)算結(jié)果，基坑開(kāi)挖土體卸載及地連墻破除過(guò)程中將引起鄰近地鐵結(jié)構(gòu)變形，其中對(duì)既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的豎向變形影響較大。因此確保地鐵營(yíng)運(yùn)安全，施工過(guò)程中應(yīng)做好對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握軌行區(qū)結(jié)構(gòu)變形情況。

⑵土方開(kāi)挖時(shí)兩側(cè)基坑應(yīng)進(jìn)行對(duì)稱開(kāi)挖，保證換乘節(jié)點(diǎn)兩側(cè)開(kāi)挖卸載一致；同時(shí)同一基坑中應(yīng)遵循“分段、分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱受力［7］?？拷扔械罔F結(jié)構(gòu)部位應(yīng)嚴(yán)禁采用爆破法開(kāi)挖，避免振動(dòng)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響［8］。開(kāi)挖至坑底后，應(yīng)立即施工車(chē)站底板，減小基坑無(wú)支撐暴露時(shí)間，防止失穩(wěn)。

⑶應(yīng)在既有線與在建線地下連續(xù)墻連接部位預(yù)留T 型墻幅［9］，同時(shí)應(yīng)對(duì)地連墻槽段接頭處進(jìn)行注漿或旋噴樁止水處理［10］，防止開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏水，但在注漿時(shí)應(yīng)注意控制注漿壓力，避免對(duì)鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

⑷合理安排施工工序。從遠(yuǎn)離既有地鐵結(jié)構(gòu)部位向換乘結(jié)構(gòu)方向形成車(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工流水作業(yè)，并預(yù)留與換乘節(jié)點(diǎn)連接的后澆帶，最后施工后澆帶時(shí)再切除地連墻。該工序能最大可能地延緩切除地連墻的時(shí)間，達(dá)到減小既有地鐵結(jié)構(gòu)變形的目的，同時(shí)能減小與既有線連通的時(shí)間，減小對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)的影響。

⑸切除地連墻時(shí)應(yīng)采用振動(dòng)較小的機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，避免振動(dòng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，建議采用繩鋸進(jìn)行無(wú)損切割拆除，施工時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確放線擬切除的部位，以免將既有結(jié)構(gòu)切除［11］。

⑹施工過(guò)程中降水會(huì)引起周邊土體固結(jié)沉降，在基坑開(kāi)挖卸荷過(guò)程中能緩解既有地鐵結(jié)構(gòu)的隆起，因此建議施工過(guò)程中合理控制降水量，充分利用降水措施減小既有地鐵結(jié)構(gòu)的豎向變形。對(duì)于近距離上跨既有地鐵區(qū)間隧道的基坑，為減小既有隧道的豎向變形，可采取由樁基與蓋板組成的結(jié)構(gòu)作為地鐵保護(hù)措施［12］。