地铁新线车站穿越既有车站轨道结构安全影响分析

吴志坚

(福建岩土工程勘察研究院，福建福州 350001)

为满足车站相互换乘要求，新建地铁车站必然会与既有地铁车站发生临近或者穿越关系，新建地铁车站的施工也必然会对已运营的既有车站产生影响。地铁车站工程涉及车站主体施工、车站附属结构(包括换乘结构)施工、车站区间施工等多个工点，因此新建车站穿越既有车站施工具有风险点多、风险大、施工工艺种类多等特点。

目前，对于穿越工程中新建车站与既有车站之间的影响研究相对较少，本文以实际工程为依托，通过三维有限元软件ANSYS进行模拟计算分析，并对比现场实测数据，分析穿越地铁工程引起的地铁结构变形及轨道几何形位的变化规律。

1 工程概况

某城市新建地铁A号线在既有地铁B号线的车站穿越并换乘，新建车站采用了分离岛式站台，车站总长190m左右，东西两个主体结构净宽均为11.75m，结构形式为双层单跨的拱顶直墙结构，车站顶板覆土约为5m。车站东西两个主体均设置南北两个风道及风井。车站北侧区间隧道采用盾构法施工，车站南侧区间为矿山法施工。

既有地铁B号线车站为东西走向的端头厅式车站，车站覆土4.5m，底板埋深12.5m。车站结构为钢筋混凝土矩形框架结构，车站结构长169.7m，宽20.3m，高7.95m;底板厚度0.9m，侧墙厚度1.0m，顶板厚度1.0m。既有车站采用明挖法施工，每隔约30m设有变形缝。平面位置关系如图1所示。

根据相关地质资料，车站拱顶主要土层为粉土层粉质黏土层和粉砂层。车站底板位置土层主要为砾岩层，局部有泥岩层、砂岩层。下穿既有B号线段位置土层主要为砾岩层，局部有泥岩层，局部在卵石层。车站埋深处未涉及到地下水。

2 模型的建立

2.1 模型及假定

计算模型结合实际工程，采用ANSYS有限元软件进行仿真计算。模型采用地层—结构三维实体模型。模型中包括土体、新建下穿车站、既有车站主体结构、道床板等。单元类型均采用Solid45及shell63单元。

为使模型网格划分效果较优，并考虑尽可能消除边界条件带来的影响，结合新建下穿车站与既有车站主体及轨道结构相对位置，模型沿既有地铁线路方向(Z轴方向)取200m，垂直既有地铁线路方向(X轴方向)取70m，沿地层深度方向(Y轴方向)取50m。计算模型如图2、图3所示。模型计算时，土体四周及底部采用法向约束，地表为自由边界。

图1 新建车站与既有车站平面位置关系

图2 模型位置关系

图3 模型细部示意

在进行穿越模拟计算时，有如下基本假定:

①土体为各向同性、均值的理想弹塑性体，简化地表和各层土体，使其均呈匀质的水平层状分布;

②初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响;忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下，土体达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖;

③假定既有地铁的隧道结构及轨道结构变形一致;

④假定既有铁路在施工前路基及轨道结构处于良好状态。

2.2 参数取值

根据实际工程中地质勘查报告所提供的地层参数，模型中选择土体参数时，对一定深度范围内岩土类别相近的岩土体进行合并，并对土体参数进行综合取值。各项参数取值如表1所示。

表1 实体模型参数

2.3 施工过程的模拟与实现

在进行数值模拟分析时，对施工步骤进行简化。根据新建车站施工方案确定有限元分析步骤，东西两侧车分六个导洞开挖。模拟分析时的具体三个阶段施工步骤如下。

阶段一:东西两侧车站同时开挖，开挖贯通1、2导洞，完成二衬后进行该位置处千斤顶顶升;阶段二:继续同时开挖贯通两侧车站3、4号导洞，二衬完成后进行该位置处千斤顶顶升;阶段三:继续同时开挖贯通两侧车站5、6号导洞，进行二衬施工，完成车站下穿既有站施工，如图4所示。

图4 模拟施工阶段

3 车站结构及轨道变形规律

3.1 既有车站结构及轨道结构变形

模拟施工结束后，既有车站主体结构累积竖向最大变形值为2.79 mm，发生在开挖导洞对应主体结构底板;累积横向变形最大值为0.122 mm，发生在车站两处侧墙。变形云图如图5、图6所示。

图5 车站主体竖向变形云图

图6 车站主体横向变形云图

地铁无砟轨道的道床结构变形直接反应了轨道结构整体变形情况，因此选取道床纵向各点变形进行分析。

各阶段施工完成后，既有线轨道结构变形最大值如表2所示。

表2 各施工阶段轨道结构最大变形值 mm

表2所示的穿越施工引起最大沉降值发生在既有轨道结构对应穿越位置处，变形缝差异沉降值发生在临近穿越位置处变形缝两侧，横向变形发生在既有轨道结构对应穿越位置处。

得到轨道结构横、竖向变形曲线(如图7、图8所示)。

图7 轨道结构竖向位移曲线

图8 轨道结构横向位移曲线

通过上述数值模拟分析可以得到以下规律:

①穿越位置处既有轨道结构变形值最大，距穿越位置越远，变形量越小，影响范围为穿越位置两侧各30m。

②既有结构存在结构变形缝时，变形缝两侧会产生比较明显的差异沉降，最大差异沉降值达到0.40 mm。

③采用分导洞开挖的方式时，既有轨道结构在首先开挖贯通1、2号导洞时产生的变形占总变形比例最大，1、2号导洞封闭成型后再开挖临近导洞引起的沉降增幅有限。在进行施工及既有线监测时，应对首先开挖导洞予以特别注意。

3.2 轨道几何形位变形

在假定钢轨与所连接的道床变形协调前提下，可以通过采集模型中钢轨位于道床位置的数据分析钢轨变形情况，提取轨1、轨2、轨3、轨4的变形数据，分析各阶段轨道几何形位变化情况。

在模型中提取10m弦长范围内轨道的高低变化，各施工阶段轨道结构高低偏差值如表3所示。

表3 各施工阶段高低偏差值

提取相邻两轨沉降差值即为轨道的水平变化，通过计算可知，既有线轨道结构水平变化最大值为－0.53 mm，轨道结构水平变化曲线如图9所示。

图9 各施工阶段轨道结构水平变化曲线

提取各施工阶段相邻两轨的横向变化值，其差值即为轨距变化，通过计算结果可知，轨距最大变化值为0.065 mm，轨距变大。各阶段轨距变化曲线如图10所示。

图10 各施工阶段轨道结构轨距变化曲线

4 实测数据与数值模拟对比分析

4.1 轨道结构变形对比

本工程施工监测内容主要包括既有车站结构及轨道结构的竖向变形监测及几何形位的检查。轨道结构自动化监测点布置如图11所示，总共布置了39个自动化监测点，北线(下行线)布置了20个点，南线(上行线)布置了19个点，其中，点Z20和Y19作为参照点，不提取数据。自动化监测点主要布置在新建车站下穿处和变形缝两侧，通过提取变形缝两侧监测点数据的差值，同时可以得到变形缝处轨道结构的差异沉降。

通过监测数据，轨道结构最大竖向变形值为296 mm，发生在Z6点(穿越中心位置)，变形缝两端差异沉降0.07 mm，发生在Z11与Z12监测点处变形缝两侧。南线(上行线)轨道结构最大竖向变形值为2.97 mm，发生在Y7监测点(穿越中心位置)处;变形缝两端差异沉降0.47 mm，发生在Y11与Y12监测点处变形缝两侧。

将轨道结构实测结果与数值模拟对应测点位置进行对比可得对比曲线如图12所示。

由既有轨道结构沉降实测值与模拟值对比可以看出，阶段三施工完成后所造成的既有轨道结构沉降实测值与模拟值在量值和趋势上都较为相似。在监测测点位置轨道结构沉降实测值与模拟值最大误差为39%，位于北线Z3位置处。变形缝两侧轨道结构实测最大值0.47 mm比模拟最大值0.40 mm大了0.07 mm。同时，对比车站整体轨道结构沉降最大值，实测最大值2.97 mm比模拟最大值2.56 mm大14%。

4.2 轨道几何形位变形对比

通过监测数据，可得各施工阶段钢轨水平及轨距偏差值，如图13、图14所示。

图11 轨道结构自动化监测点布置

图12 轨道结构实测数据与模拟计算对比曲线

图13 轨道结构各施工阶段水平偏差实测值

图14 轨道结构各施工阶段轨距偏差实测值

由图13可知，轨道结构水平偏差最大值为－2 mm，各施工阶段水平变化最大值为1.0 mm。轨道结构水平变化模拟计算最大值为0.53 mm，由于实测监测误差为1.0 mm，因此，轨道结构水平变化模拟计算值可信。

由图14可知，轨道结构轨距偏差最大值为+2 mm，各施工阶段轨距变化最大值为2.0 mm。轨道结构轨距变化模拟计算最大值为0.065 mm，实测轨距变化出现2.0 mm的点为单点，其他点轨距变化最大值均为1.0 mm，且实测监测精度为1.0 mm，因此，排除测量测量误差因素，轨道结构轨距变化模拟计算值依然可信。

5 新建车站穿越既有车站安全控制

在新线车站工程建设中不仅要保证工程自身的安全，同时还要保证不致对既有车站结构特别是轨道结构造成破坏性的影响，进而影响到运营安全，这是穿越既有线施工的主要技术难题，关键技术体系应该确保二者的安全。保护既有轨道结构变形不超限的主要措施包括以下几个部分:

①对于既有运营线而言，一般情况下，按照轨道结构附加变形3 mm做为安全性的控制标准。

②既有轨道结构加固的主要措施是进行轨道防护，轨道防护是在施工前根据地铁现状，对既有地铁结构进行修整，包括裂缝处理、道床和结构脱离的整治等等，以提高既有地铁轨道结构的承受能力。

③对既有结构进行监测，包括隧道结构、轨道结构和轨道静态几何尺寸等。

④在设计阶段应综合考虑方案的优劣，制定合理有效的安全控制措施，尽量减少施工引起的既有结构的附加变形影响。

6 结论

(1)穿越施工完成后，既有轨道结构附加变形值及轨道几何形位的变化值均在安全控制指标范围内，因此，新建车站穿越施工并不会影响地铁1号线的安全运营。

(2)穿越施工完成后，穿越位置处既有轨道结构变形值最大，距穿越位置越远，变形量越小，影响范围为穿越位置两侧各30m。

(3)既有结构存在结构变形缝时，变形缝两侧会产生比较明显的差异沉降，变形缝两侧最大差异沉降值在1.0 mm以内。

(4)采用分导洞开挖的方式时，既有轨道结构在首先开挖贯通1、2号导洞时产生的变形占总变形的比例最大，1、2号导洞封闭成型后再开挖临近导洞引起的沉降增幅有限。因此，在进行施工及既有线监测时，应对首先开挖导洞予以特别注意。

(5)三维有限元模型模拟结果在轨道结构的沉降曲线、最大沉降值、差异沉降值、轨道几何形位变化上都与现场实际实测值相似。虽然由于在模型建立时，对土层和材料的一些物理力学性质、既有车站结构模型、施工方法等简化处理而引起计算结果与实际情况的一些差异，但是这并不影响总体上数值模拟计算的可信性。因此，在施工前，可以采用数值模拟计算的方式对新线车站穿越既有车站的施工方法进行评价。

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