软土地区超深预留换乘节点结构稳定性研究

□文/井博晖 刘建志

近年来我国城市轨道交通发展迅速，特别是城市地铁的建设，有效地缓解了城市交通力。城市地下轨道交通是大量客流的中转、换乘和集散地，是各种运输方式的衔接和联运的主要基地，对旅客运输效率有着决定性的影响，在运输全过程中起着重要作用。换乘地铁车站是地下轨道交通的核心，扮演着重要的角色。城市轨道交通规划中，后期施工的地铁线路与目前在施地铁线路程十字形或是“T”字形换乘。后期施工的地铁车站对先施工的车站有较大影响，尤其是在围护结构隧道开孔及楼板上预留盾构孔洞，应该采取什么措施加以解决，目前尚缺乏系统的研究，迫切需要展开此方面课题研究。

1 工程概况

徐庄子站为6号线中间站，是地下2层岛式车站，新增10号线换乘节点，换乘节点面积约130 m2，车站总长228.5 m。车站起点分界里程DK6+431.323；有效站台中心里程DK6+572.827；终点分界里程DK6+659.827；标准段宽度20.7 m；有效站台宽度为12.0 m；标准段基坑深度为16.45 m；盾构段基坑深度18.1 m。盾构井段宽25.3 m(大里程处)、25.74 m(小里程处)；车站顶板覆土约为2.6 m，地面绝对标高为2.8～3.2 m，冠梁顶绝对标高为2.2～2.6 m。

2 地质情况

徐庄子站地处的华北平原属海积、冲积低平原。场地地势较平坦，各孔孔口介于大沽高程4.55～3.00 m。车站工程涉及地层主要为人工填土层，全新统上组陆相冲积层、全新统中组海相沉积层、全新统下组沼泽相沉积层、全新统下组陆相冲积层、上更新统第五组陆相冲积层、上更新统第四组滨海潮汐带沉积层、上更新统第三组陆相冲积层。

项目工程地质参数见表1。

表1 基坑围护设计计算参数

3 模型建立

3.1 单元与构件

采用ABAQUS软件进行有限元分析。

板：建立壳模型，采用壳单元（S4R：线限、有限薄膜应变、减缩积分、四边形壳单元）进行模拟，采用结构化的网格划分方法，洞口处局部采用自由网格；将板厚作为截面属性赋予单元。

墙：建立壳模型，采用壳单元（S4R：线限、有限薄膜应变、减缩积分、四边形壳单元）进行模拟，全部采用结构化的网格划分方法；将墙厚作为截面属性赋予单元。

柱：建立线模型，采用梁单元（B31：两节点一阶剪切变形梁单元）进行模拟，采用结构化网格；将柱截面作为截面属性赋予单元。

模型采用的是面-面接触。因为地下连续墙是在土体中挖槽形成的，表面并不光滑，与周围土体之间存在很大的摩擦力，采用面-面接触可很好地模拟这种相互作用关系，支撑和地下连续墙之间采用tie连接。

根据施工监测结果，基坑开挖影响深度为开挖深度的2～4倍，影响宽度为开挖深度的3～4倍。土体与墙体采用平面应变缩减单元CPE8R，支撑采用梁单元B21，综合考虑到模型的精确和计算速度，采用网格尺寸渐变的方法划分整个区域；基坑和围护结构附近网格较密，最小网格尺寸1 m×1 m，离围护墙体越远，网格越疏，最大网格尺寸4 m×4 m，见图1。

图1 三维有限元模型

3.2 载荷

混凝土材料楼板采用C35、柱材料采用C50，自质量取2.5 t/m3，泊松比取0.2，弹性模量按规范取值。在模拟过程中主要考虑材料在线弹性范围内工作并考虑部分塑性发展。

4 计算结果

由于隧道孔的开挖和临时封堵墙的打开，-3层墙体有较大削弱，故墙体是重点分析对象。在后期预留节点地下连续墙上开口，首先会造成结构应力集中，正常段侧墙应力1.305 MPa，隧道开孔处侧墙应力为25.05 MPa，见图2，大约相差20倍，在隧道开孔处要加密钢筋的间距。

图2 隧道侧墙开孔应力

如图3所示，换乘节点最大应力为13.05 MPa，最大应力出现在既有地铁与后施工车站换乘节点楼板处，楼板最大应力为9.994 MPa，在楼梯孔和盾构吊装预留孔角部出现应力集中现象，应该设置暗梁或是框梁，进行楼板结构加强。

换乘节点最大变形为10.48mm，最大变形出现在既有地铁与后施工车站换乘节点楼板处，楼板最大变形为9.852mm，梁分布基本在各层应力与变形较大处，比较合理。墙体中应布置一定量的暗柱、扶壁柱进行加强，洞口会削弱楼板，应在洞口周边适当加强。

图3 换乘节点整体应力

5 工程应用

天津地铁6号线徐庄子站在施工过程中，基坑开挖遵循“随挖随撑、限时支撑、严禁超挖、错挖、中间开槽两边放坡”的施工原则，采用倒退台阶接力法开挖施工。基坑开挖主要采用EX200挖机开槽、倒土，长臂挖机、小挖机、60 t汽车吊配合出土的方式进行开挖。

车站明挖主体结构工程所使用混凝土强度等级：素混凝土垫层C25早强；结构顶板、地下1层底板、地下2层底板、地下3层底板、主梁C35；框架柱、侧墙、壁柱C45。

楼板采用一次浇筑、自然流淌斜面分层的浇筑方式，即泵车从基坑两边四个角开始浇筑，让混凝土自然流淌形成一定的斜面。施工时注意保证斜面下一层混凝土与上一层的间隔时间≯1.5 h，严格控制在混凝土初凝时间以内。混凝土的振捣需从下端开始，逐渐上移。混凝土浇筑成形后在初凝前用铁滚筒滚压、长刮尺控制标高及平整度，最后用木抹子收面，以防止产生收缩裂缝。

根据侧墙尺寸，混凝土浇筑采用全面分层施工方案，即把墙从高度方向分成若干层，对称分层浇筑混凝土。混凝土分层层厚为30～50 cm，施工时注意两侧高度一致，高差≯0.5 m，相邻两层浇筑时间间隔不得超过混凝土的初凝时间。根据模板支撑情况，侧墙浇筑时间应≯6 h，浇筑速度≯1.5 m/h。防止模板由于混凝土侧压力而发生变形。浇筑时严格控制两侧对称泵料，确保模板支撑结构对称受力，防止发生偏位。

施工过程中，监测数据显示，结构应力、应变与数值仿真计算结果基本一致。

6 结论

通过对天津地铁6号线徐庄子站换乘车站进行三维数值仿真计算，得出以下结论：

1）地下连续墙施工质量的好坏决定着车站主体结构的稳定性，尤其软土地区超深地下连续墙施工质量至关重要，影响结构的应力、应变分布规律；

2）深基坑单元计算中不能考虑周围杆件和施工工况对支撑结构刚度的影响，而整体计算中可以考虑，所以地铁车站计算应该采用整体的三维有限模型进行计算，更符合实际的受力情况；

3）通过地铁车站设计坑三维计算，得出车站结构最大变形及内力位置位于换乘段和开孔处，车站换乘节点处属于薄弱环节，施工应该加强监测；

4）车站结构梁位置分布基本在各层应力与变形较大处，比较合理，根据应力应变云图，墙体中应布置一定量的暗柱、扶壁柱进行加强较合理，洞口会削弱楼板，应在洞口周边适当加强。