T型换乘地铁车站续建基坑开挖对运营结构的影响分析及对策

刘 亮

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）

T型换乘地铁车站续建基坑开挖对运营结构的影响分析及对策

刘 亮

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）

T型换乘地铁车站续建基坑开挖将对运营结构产生偏压影响，为了保护既有结构的受力、变形满足运营要求，采用Plaxis有限元软件对既有T型地铁车站续建基坑结构受力、变形影响进行数值分析。结果表明T型换乘节点基坑采用明挖方案可行，可为下一步施工图设计提供理论参考。针对续建基坑开挖、既有结构破除等施工风险提出了一系列的保护措施。

T型换乘；地铁车站；基坑开挖；变形；数值分析；保护

0 引言

随着地铁的不断扩展和延伸，紧邻既有地铁线路和车站进行施工的情况已不可避免，后建车站的基坑开挖施工必然对既有车站产生影响。在针对新建项目对已有建筑物的影响方面：曾远等［1］以分析基坑开挖引起紧邻车站变形为目的，对实际的基坑开挖进行数值分析，研究了地铁车站基坑开挖时新旧两车站的间距、源头变形、土体弹性模量3个因素对在运营车站变形的影响；李伟强等［2］通过数值计算分析研究基坑开挖对邻近地铁结构及轨道的位移情况；李志高等［3］通过数值模拟发现，大刚度地铁车站的存在对基坑开挖的位移场具有很大影响，表现为对基坑变形的遮拦作用和改变坑周土体位移场；朱炎兵等［4］通过二维有限元数值模拟，研究不同距离和开挖深度组合下临近既有地铁车站变形性状及其对周边环境的影响；姚燕明等［5］针对基坑开挖对邻近既有地铁车站的影响，提出一种弹性地基上的板壳有限元计算模型，并对模型中土压力的作用方式进行了分析；张国亮等［6］通过计算分析研究新建地铁车站基坑施工与既有车站结构间的相互影响。

上述研究着重分析新建基坑开挖对既有车站的变形影响，本文针对T型续建基坑开挖后的偏压作用，分析验证续建基坑开挖对既有车站结构受力、变形影响是否满足地铁安全运营要求，并结合实施风险提出一系列保护措施。

1 工程概况

武汉7号线王家墩东站位于青年路和建设大道交叉路口以西地块内，沿规划黄海路设置，与既有轨道交通2号线王家墩东站“T”型换乘，换乘节点已预留。2号线为地下2层，7号线及换乘节点为地下3层，底板埋深约25 m，围护结构均采用1 m厚地连墙落底。7号线基坑开挖必然造成换乘节点受偏压作用向基坑内侧发生变形，既有结构受力必然随之发生变化；另此次与2号线接驳需破除原地连墙及侧墙，从而增加了该节点设计实施难度。2号线与7号线王家墩站总平面见图1。

图1 2号线和7号线王家墩东站总平面图Fig.1 General plan of Wangjiadun East Station on Line 2 and Line 7

2 工程地质、水文地质情况

拟建工程所在场地为一级阶地河流堆积平原区，上覆土层主要为近代人工填土层、第四系河流冲洪积土层、砂层，下部基岩为志留系泥岩。承压水主要赋存于3-5混合层及下部砂层中，水位标高20.0 m。该处地层物理力学参数取值见表1。

3 工法选择

如何有效地控制基坑开挖对既有2号线换乘节点的变形影响是选择本站施工方案的关键。盖挖逆作法与明挖法相比，利用结构板作为支撑，提高了支撑刚度，可以有效控制基坑变形，另连续墙及结构墙破除可以随着基坑开挖同时进行；但是由于该位置作为盾构始发井，需预留盾构孔，导致结构板提供的支撑刚度有限，另局部盖挖破坏了整个车站的外包防水体系，且工期较长等，明挖法通过采用混凝土支撑代替钢支撑以提高支撑刚度，合理的安排施工工序也能达到控制基坑变形的要求，所以该节点推荐采用明挖法施工。明挖法施工围护结构平剖面见图2。

表1 土层物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

图2 明挖法施工围护结构平剖面图Fig.2 Diagram of retaining structure

4 既有2号线运营安全控制标准

表2 结构安全控制指标表Table 2 Structural safety control indices

轨道变形可根据实时监测结果，一旦达到报警值则及时进行维护修理，为了验证该节点明挖方案的可行性，本文主要针对既有结构受力、变形进行分析。

5 计算分析

新建基坑支护采用同济启明星和天汉软件进行计算，为了检验T型换乘节点位置结构是否满足受力及变形要求，本文采用Plaxis2D有限元软件进行分析。

5.1 计算模型

见图3。

图3 计算模型网格（单位：m）Fig.3 Grid of computation model（m）

原2号线换乘节点沿7号线方向基坑宽度25 m，深25 m，连续墙深50 m落底。计算模型尺寸取80 m×55 m（长×宽），结构距离右侧35 m、左侧20 m，地面超载取20 kPa，本构模型采用土体硬化模型（HS模型），连续墙、内衬结构及抗拔桩采用板单元模拟，支撑采用锚杆单元模拟，土与结构之间采用界面单元模拟。计算单元采用15节点三角单元，在结构与土层接触部位采取局部加密处理。分析过程按照实际工序采取分步开挖，随挖随撑，开挖过程通过冻结土体单元处理。

5.2 计算参数

就这样，依靠严密的生产管理与全体职工奋战，终于顺利度过管线焊接这一关。70千米管线，6790道焊口，经过超声波探伤，其中一部分复经X射线拍片检查，一次合格率达96%，工程质量优良率达98.1%，无一处渗漏，一次试运投产成功。

Brinkgreve［8］研究发现土体加载卸载泊松比的变化范围为0.1～0.25，PLAXIS［9］中建议值为0.20。根据文献［10］所述，Mohr-Coulomb模型中各土层弹性模量等于HS模型中的E50，计算中土体弹性模量取压缩模量的3倍，界面强度折减因子取0.7，刚度应力水平相关幂指数取0.5，刚度参考应力默认取100。其他参数见表1。

5.3 分析结果

经分析，该基坑工程最不利工况为开挖至基底，底板尚未浇筑时，模型网格变形情况见图4。

图4 基坑开挖后变形的网格Fig.4 Deformed grid after foundation pit cutting

5.3.1 土层位移分析

土层位移结果显示，新建基坑开挖对周边的土层水平位移影响较大，垂直位移影响较小。土体水平位移在结构侧壁位置相对较小，最大值发生在换乘节点底板以下；竖向位移在既有车站范围内较小，最大值发生在新建基坑基底隆起范围。表明既有结构的“遮拦作用”对周边土体位移场有影响［3］。土体水平及垂直位移云图见图5和图6。

图5 水平位移云图（Ux）Fig.5 Contour of horizontal displacement（Ux）

图6 垂直位移云图（Uy）Fig.6 Contour of vertical displacement（Uy）

5.3.2 既有结构受力、变形分析

结构计算结果显示：既有结构顶、中、底板最大竖向位移4.48 mm；随着基坑开挖顶板位置侧向位移先增大后趋于稳定，底板位置侧向位移逐渐增大；侧墙最大水平位移17.43 mm，水平、竖向位移均小于20 mm；板的弯矩分配由于基坑开挖发生变化，顶、底板最大弯矩发生在开挖侧，中板则远离开挖侧，剪力变化较小，经核算，原构件配筋满足受力要求。结构位移、内力情况见图7，位移变化见图8。

6 施工工序及保护措施

为保证此节点基坑的顺利实施，需制定合理的施工工序，并针对实施过程中的风险点采取相应的保护措施。

图7 基坑开挖后既有结构位移、内力图Fig.7 Displacement and internal force of existing structure after foundation pit cutting

图8 既有结构顶、底板位置侧墙位移变化曲线Fig.8 Curves of displacement of sidewalls at roof and floor of existing structure

6.1 施工工序

1）明挖法分层开挖及施作混凝土支撑至坑底设计标高，斜撑作用在换乘节点老地连墙上，此阶段不进行换乘点破除。

2）从下到上依次施工7号线主体结构，并按照标准段施工工序拆除支撑及换撑，并保证主体结构抵住老连续墙。

3）待主体结构顶板完成且达到设计强度后，进行换乘节点中间部分老地连墙及结构破除，从上到下依次破除完成后，顺做此范围板、梁、柱。

4）待中间部分结构完成达到设计强度后，进行换乘节点两侧老地连墙及结构破除，逆作法，从上到下边破边做板，待3层板完成后再从下到上施工侧墙。

6.2 保护措施

1）本站地处长江一级阶地，承压水位最高20 m，换乘节点位置底板埋深25 m，位于4-2细砂层，基坑降水困难，为了降低降水施工难度，减小深基坑降水对2号线的影响，7号线采用1 m厚连续墙落底，墙底注浆，坑内疏干降水；为了避免由于坑内外水头差较大，连续墙接缝施工质量较差带来的接缝管涌风险，在连续墙接缝外侧采用3根旋喷桩咬合止水；在基坑外两侧打设减压降水井，一旦出现管涌及时开启减压。

2）换乘节点西侧地连墙及结构破除不与基坑开挖同时进行，待7号线主体结构板完成后再行破除；破除分两期进行，先中间后两边；破除顺序从上到下；中间结构顺做法施工，板带破除完成后增加混凝土临时支撑；两侧结构采用逆作法施工；混凝土破除按照先保护后破除，尽量减小振动影响为原则，采取机械切割或人工破除，严禁采用机械破除，且破除工作应在夜间即地铁停止运营期间进行；在换乘节点西侧边梁位置砌筑300 mm厚隔墙进行隔离保护。

3）换乘节点西侧连续墙及侧墙破除前，先施工盾构井结构板及侧墙抵住连续墙，端头设置止水钢板，既起到换撑效果也保证了施工缝的设置。施工缝大样见图9。

图9 连续墙边施工缝大样Fig.9 Details of construction joint

4）加强监测，建立风险控制信息化施工，一旦发现结构位移、裂缝等超限，立即采取应急措施，如在顶、中板位置加临时钢支撑等；并加强对已运营2号线轨道、设备等检查，发现异常立即停止施工。

7 结论与建议

1）本文采用Plaxis有限元软件对T型换乘地铁站续建基坑采用明挖法对运营结构的开挖影响进行分析，采用混凝土支撑代替以提高支撑刚度，结果显示，既有结构的受力、变形均能满足要求。

2）由于既有结构的“遮拦作用”改变了周边土体的位移场，续建基坑侧壁土层水平位移和既有结构范围内土层竖向位移较小。

3）T型换乘续建基坑开挖对既有结构的板的弯矩影响较大；随着基坑开挖各层板的竖向位移影响较小，侧向位移影响较大，顶板位置的侧向位移先增大后趋于稳定，底板位置侧向位移逐渐增大，但均能满足运营要求。

4）为减小工程对既有车站的运营影响，待主体结构完成后再破除中间连续墙，应注意结构与连续墙接触位置的处理。采用在施工缝位置设置凹槽，并预埋止水钢板，通过采用方木或泡沫填充对其进行保护处理，既起到换撑效果也保证了施工缝的设置。

5）本站采用连续墙落底及坑内疏干降水，墙底注浆确保基坑绝对落底封闭以减小降水施工对既有车站的影响。为了避免由于坑内外水头差较大，连续墙接缝施工质量较差带来的接缝管涌风险，在连续墙接缝外侧采用3根旋喷桩咬合止水，并在基坑外侧打设减压降水井，一旦出现管涌及时开启减压。

6）该工程采取分2期破除中间地连墙及结构，从而有效地控制连续墙破除带来的刚度骤减的影响。

7）本工程目前处于设计阶段，下一步将通过建立三维土层-结构模型对结构受力、变形规律进一步分析研究。

（References）

［1］ 曾远，李志高，王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究［J］.地下空间与工程学报，2005，1（4）：642-645.（ZENG Yuan，LI Zhigao，WANG Yibin.Research on influencing factors of deep excavation adjacent to subway station［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1（4）：642-645.（in Chinese））

［2］ 李伟强，孙宏伟.临近深基坑开挖对既有地铁的影响计算分析［J］.岩土工程学报，2012，34（S）：419-422.（LI Weiqiang，SUN Hongwei.Influence of deep excavations on existing subways［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34（S）：419-422.（in Chinese））

［3］ 李志高，曾远，刘国彬.临近地铁车站基坑开挖位移传递规律数值模拟［J］.岩土力学，2008，29（11）：3104-3108.（LI Zhigao，ZENG Yuan，LIU Guobin.Numerical simulation of displacement transfer law of excavation adjacent Metro station［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（11）：3104-3108.（in Chinese））

［4］ 朱炎兵，周小华，魏仕锋，等.临近既有地铁车站的基坑变形性状研究［J］.岩土力学，2013，34（10）：2997-3002.（ZHU Yanbing，ZHOU Xiaohua，WEIShifeng，etal.Investigation on deformation behaviors of foundation pit adjacent to existing Metro stations［J］.Rock and Soil Mechanics，2013，34（10）：2997-3002.（in Chinese））

［5］ 姚燕明，周顺华，陈力.深基坑开挖对既有地铁车站影响的计算模式分析［J］.建筑结构，2003，33（10）：57-59.（YAO Yanming，ZHOU Shunhua，CHEN Li.Deep excavation effect on the calculation model analysis of the existing subway station［J］.Building Structure，2003，33（10）：57-59.（in Chinese））

［6］ 张国亮，韩雪峰，李元海，等.新建地铁车站基坑与既有车站结构间相互影响的数值分析［J］.隧道建设，2011，31（3）：284-288.（ZHANG Guoliang，HAN Xuefeng，LI Yuanhai，et al.Numerical simulation on interaction between new foundation pit and existing Metro station［J］.Tunnel Construction，2011，31（3）：284-288.（in Chinese））

［7］ 李兴高.既有地铁线路变形控制标准研究［J］.铁道建筑，2010（4）：84-88.（LIXinggao.Standard of the existing subway line deformation control［J］.Rialway Engineering，2010（4）：84-88.（in Chinese））

［8］ R B JBrinkgreve.Selection of soilmodels and parameters for geotechnical engineering application［C］//Soil constitutive models：Evaluation，selection，and calibration（GSP 128）.Proceedings of the sessions of the geo-frontiers2005 congress ASCE.Austin，Texas，2005：69-98.

［9］ R B J Brinkgreve，WBroere.PLAXIS 2D-Version9［M］.Netherlands：Delft，2008.

［10］ R B JBrinkgreve Al-Khoury R，Bakker K J，et al.PLAXIS finite element code for soil and rock analyses［M］.［s.l.］：Balkema，2001.

Analysis on Influence of Cutting of Foundation Pit on Existing Structure：Case Study on Cutting of a T-shaped Transfer Metro Station

LIU Liang
（China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）

The cutting of the foundation pit of a T-shaped transfer Metro station will have unbalanced pressure on the existing Metro structure.In the paper，numerical analysis ismade on the deformation of the existing Metro structure caused by the cutting of the foundation pit of a T-shaped transfer Metro station by means of Plaxis finite element program，so as to protect the existing Metro structure and to ensure that the deformation of the existing structure canmeet the operation requirements.The study，which shows that open cutting can be adopted for the foundation pit of the T-shaped transfer Metro station，can provide theoretical reference for the construction drawing design in the following stage.Furthermore，a series of countermeasures are proposed for the cutting of the foundation pit and the dismantling of the existing structure.

T-shaped transfer Metro station；foundation pit cutting；deformation；numerical analysis；protection

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.03.009

U 459.3

A

1672-741X（2015）03-0244-06

2014-11-12；

2015-01-20

刘亮（1982—），男，河北高碑店人，2009年毕业于河北工业大学，结构工程专业，硕士，工程师，从事地铁设计工作。