全暗挖十字换乘地铁车站交叉节点施工方案比选——以长春地铁1号线解放大路站为例

田茂国

(中铁十八局集团三公司，河北 涿州 072750)



全暗挖十字换乘地铁车站交叉节点施工方案比选
——以长春地铁1号线解放大路站为例

田茂国

(中铁十八局集团三公司，河北 涿州 072750)

摘要：随着地铁轨道交通的迅猛发展，越来越多的换乘节点工程必然出现,也将出现更多的枢纽换乘车站施工技术问题。在全暗挖十字换乘地铁车站交叉节点施工方案设计上，就存在多种方案可以选择，为了达到控制地表沉降，确保路面行人及行车安全的目的，本文以长春地铁1号线解放大路站交叉节点施工方案比选为例，从沉降量大小、关键节点应力分布和土体塑性区变化等主要因素进行详细分析,得出了从衬砌端破马头门施工连接段的最优方案，为今后换乘车站及其关键节点施工技术提供技术和经验的指导，同时指导类似的工程设计及施工，促进地铁轨道交通施工技术的快速发展。

关键词：全暗挖十字换乘地铁车站； 交叉节点； 施工技术； 施工方案； 数值模拟

0引言

全暗挖施工同步建造十字交叉换乘车站的技术首次应用于北京地铁黄庄站。新技术可一次性完整地形成拱顶和基础底板，有效控制地面沉降及群洞效应，减少结构受力转换次数,提高施工安全性，而且二衬结构分块少、施工缝少，施工速度快。但是，由于新工法提出时间尚短，还需大量成功的工程经验补充和推广[1~4]。长春地铁解放大路站是继北京黄庄站、沈阳青年大街站后国内又一座全暗挖十字交叉换乘地铁车站，两线主体、附属结构形成复杂洞群。施工中地层反复扰动，地层、结构受力、变形规律复杂，特别在交叉节点区，较普通暗挖站风险有成倍增加[5~7]。本站站址场地地质条件复杂，存在大量不良地质体，暗挖车站上方存在大量的管线，对暗挖车站施工引起的沉降要求非常严格。在不影响车站使用功能的情况下，为寻求换乘节点处结构型式及受力简单、深度和断面小、地表沉降和施工风险较小，并对地下管线影响最小的施工方案，就必须对全暗挖车站十字交叉换乘节点结构体系的施工工法、结构型式及受力特点、地表沉降及施工安全风险进行深入、系统的研究。

1工程概况

长春地铁1号线解放大路站位于人民大街与解放大路十字路口交汇处，为地铁1号线和2号线换乘车站。1号线车站主体为岛式站台，为标准双层、三跨拱顶直墙结构，采用一次扣拱暗挖逆作法施工，上方为站厅层，下方为站台层。2号线车站主体为侧式站台，为标准双层、双跨拱顶直墙结构，采用6导洞PBA工法施工，上方为站台层，下方为站厅层。1号线车站主体双层段与2号线车站主体采用单层段连接，两侧单层段各长15 m，采用侧洞法施工。换乘通道连接2号线站台层和1号线站厅层，此设计形式换乘十分便捷。具体见图1。

(1.3象限方向为2号线车站主体，

本车站拟建厂区附近多为人工填土和粉质粘土。大部分填土为近百年内形成，厚度不均，土质结构松散，容易发生失稳坍塌造成事故或延误工期。车站结构顶部覆土为8.8~9.8 m，依次为路面结构层(厚约0.8 m)、杂填土层(厚约2.5~3.0 m)及粉质粘土层(厚约4.0~6.5 m)，其中粉质粘土呈可偏软塑状态，局部呈软塑状态，施工时的震动可能会使尚未密实的土体发生塌方，对洞室和邻近建(构)筑物产生影响。此外，厂区内人防通道范围较大，且地下消防水柜深埋、区域不明，对拟建车站出入口具有一定影响。

2施工方案和模型建立

2.1施工方案

根据车站主体结构和工程实际情况设计出4套施工方案，计算范围仅考虑2号线主体和1号线单层段，具体如下：

方案1：先施工2号线，待2号线施工完成后施工连接1、2号线的单层结构，单层结构从2号线破除衬砌进洞施工。

方案2：先施工2号线，待2号线施工完成后施工连接1、2号线的单层结构，单层结构从1号线破除衬砌进洞施工。

方案3：先施工2号线，待2号线初期初支完成，施工单层结构，单层结构从2号线破除初支进洞施工，单层结构完成后继续施工2号线。

方案4：先施工2号线，待2号线初期初支完成，施工单层结构，单层结构从1号线端部开始贯穿2号线，单层结构完成后继续施工2号线。

2.2模型建立

由于工程地质情况比较复杂，所以模型简化为三个土层，假定地表和各土层均匀水平分布，土体材料采用摩尔库伦本构模型，混凝土材料采用弹性模型模拟。导洞超前支护管棚和小导管注浆简化为2米厚的注浆加固层。地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化，地应力场由自重应力自动生成。由于计算中主要考虑交叉节点处受力转换和位移等指标的变化，建模范围取宽60 m，高40 m，纵向52 m，从最终计算结果看受边界条件的影响很小，可忽略，模型共174 227个节点，165 593个单元[8]。具体模型如图2、图3，各土层及加固材料的力学参数选取如表1所示，各材料参数是根据试验结果、现场原位测试并结合地区经验综合确定的。

表1　材料的力学性能参数

图2　地铁1、2号线交叉节点模型图

图3　解放大路换乘站模型细节图

3结果分析

首先对以上四种方案进行FLAC 3D模拟施工，合理的开挖顺序能够有效的控制主体的沉降，有助于提高结构的稳定性。本章以沉降量大小、关键节点应力分布和土体塑性区变化为主要因素详细分析四个方案的优劣。

3.1沉降量对比

沉降是地下隧道工程施工方案优劣性最明显的表现之一，FLAC 3D数值模拟分析后，四种方案的竖向位移沉降如图4、图5、图6及图7所示。

图4　方案1最终沉降云图

由图4可以看出，方案1最终的竖向沉降为12.669 cm，沉降主要集中在2号线主体和单层结构的拱顶，主体底部土体由于发生水平方向挤压而变形为向上隆起；最大沉降在主体交叉处，符合工程实际情况，施工时注意时时监测，保证施工顺利安全进行。

图5　方案2最终沉降云图

由图5可以看出，方案2最终的竖向沉降为12.776 cm，沉降主要集中在2号线主体和单层结构的拱顶，主体底部土体向上隆起，最大沉降在主体交叉处。

由图6可以看出，方案3最终的竖向沉降为13.064 cm，沉降主要集中在2号线主体和单层结构的拱顶，主体底部土体向上隆起，最大沉降在主体交叉处。

图6　方案3最终沉降云图

图7　方案4最终沉降云图

由图7可以看出，方案4最终的竖向沉降为13.732 cm，沉降主要集中在2号线主体和单层结构的拱顶，主体底部土体向上隆起，最大沉降在主体交叉处。综上所述，完成2号线施工后，再破除衬砌进洞施工连接1、2号线的单层结构所引起的沉降要明显小于先施工单层结构后完成2号线施工的沉降。方案3、4的平均沉降量要比方案1、2的多5.31%。方案1的最终沉降最小，沉降值为12.667 cm，方案2总沉降比方案1多0.84%。可知先破除2号线衬砌，由2号线向1号线方向施工单层结构对控制沉降更加有利。

模型地表沉降监测点布置如图8所示，监测1线分析单层结构地表沉降规律(见图9)，监测2线分析2号线地表沉降规律(见图10)，监测3线分析单层结构与2号线交叉位置即共同作用最大处的沉降规律(见图11)。

图8　模型地沉降表监测点布置图

图9　监测1线地表沉降对比

图10　监测2线地表沉降对比

图11　监测3线地表沉降对比

单层结构受2号线开挖的影响，整体沉降较大，四种方案地表沉降对比可知方案1最优。

3.2应力分布对比

应力分布是施工方案比选的另一项重要参考依据，直接显示出结构是否安全。合理的施工步序对于结构的安全有着非常大的影响。方案1整体施工完成后z方向上的应力如图12所示。

图12　方案1完成后z方向上的应力分布图

方案1导洞开挖完成后，应力集中变形为最大压应力在导洞中间初支，其值为1.71 MPa，拱顶最大拉应力5.15 MPa。施作顶中二衬后，最大压应力1.54 MPa还是集中在导洞中间初支和拱脚，拱顶最大拉应力0.6 MPa，应力减小说明二衬起到了很好的支撑作用。施作中板后，应力集中变形在中柱上，最大压应力为2.26 MPa。底板完成后，最大压应力转移到底板中柱，其值为2.25 MPa。二衬开口施作单层结构，应力集中变形在交叉节点处，最大压应力4.45 MPa；中柱压应力增大为3.5 MPa。压应力明显增大，说明施作单层结构对2号线车站影响较大，实际施工时注意实时监测。整体结构完成，从图12中可以看到,在2号线主体中柱及拱顶有较大的压应力，最大压应力出现在2号线与单层结构的交叉节点，最大应力为4.26 MPa，说明在车站支护上施作单层结构处会产生应力集中。在实际施工过程中需要加强对开口处的监测监控，确保施工的安全进行。

方案2中所有施工步序中的应力都要比方案1大，而方案4的应力集中表现最明显，最大压应力为5.51 MPa，比方案1的应力多出29.34%；方案2最大压应力也明显小于方案3。由此可以分析出二衬结构完成后再进行单层结构施工，对控制土体沉降更为有利。

3.3塑性区分布对比

比较四种方案主体结构周围土体的塑性区分布情况，模拟结果如图13至16所示。

图13　方案1土体塑性区分布

图14　方案2土体塑性区分布

图15　方案3土体塑性区分布

图16　方案4土体塑性区分布

从图13中可知，土压力区的土体向洞内有水平位移，使背后土体水平应力减小，剪力增大，出现塑性区；而在导洞开挖面以下被动土压力区的土体向洞内有水平位移，使坑底土体水平方向应力加大，以至洞底土体的剪应力增大而发生水平方向挤压和向上隆起，在主体底处形成局部塑性区。从图中可看出，随着开挖深度的增加，导洞内外土体塑性区呈逐渐扩大的趋势。由开挖到二衬支撑完成后的土体塑性区主要集中在2号线拱顶附近和单层结构边墙周围。2号线主体开挖完成后，主体拱顶与地表下部3~5 m深土体已连通成一个局部范围较大的塑性区，但并未与隧道主体周围土体形成全部连通的塑性区，单层结构周边塑性区范围较小。

分别比较图13和图14、图15和图16，可看出与方案1相比，方案2整体结构完成后主体周围土体塑性区分布要大一些；与方案3相比，方案4整体结构完成后主体周围土体塑性区分布要大一些。

认识塑性区的规律，可以合理组织施工方案，有效地控制变形。塑性区的产生是由于土体的流变性,其发展与时间有直接的关系，因此应制订及时有效的施工方案，在土体的塑性区发展到危险阶段前完成挖土、架设支撑或浇筑混凝土底板，这样可以大大减少深基坑施工对周围环境的影响。

4实际应用

长春地铁解放大路站实际施工中，选择方案1，即先施工2号线，待2号线施工完成后施工连接1、2号线的单层结构，单层结构从2号线破除衬砌进洞施工。相关测线现场实际沉降曲线如图17所示：

图17　 实际地表沉降曲线

由图17可知，虽然实际地表沉降槽曲线线型与模拟方案中的线型存在一定出入，但总体来说最终结果满足现场要求，由此说明方案1是可行的。

5结论与讨论

以长春地铁解放大路站十字交叉换乘站为工程背景，采用FLAC 3D数值模拟的方法，对四种不同的施工顺序进行比较分析，得出以下结论：

导洞开挖顺序应优先选择方案1。方案1与其他三种施工方案相比，施工后的土体塑性区最小。通过对塑性区土压力的分析，可以找到一些有益施工组织的规律。塑性区土压力的变化不是一成不变的，施工组织中可充分利用土压力的变化规律，以利于合理组织施工，加快施工进程。

由开挖到二衬支撑完成后的土体塑性区主要集中在2号线拱顶附近和单层结构边墙周围。主体开挖完成后，主体拱顶与地表下部3~5 m深土体已连通成一个局部范围较大的塑性区，但并未与隧道主体周围土体形成全部连通的塑性区。通过以上因素分析，结合长春地层地质条件及本站所处特殊的环境条件，通过数值模拟分析车站施工全过程得出，2号线主体二衬结构完成后再由2号线方向进行单层结构施工，对控制土体沉降更为有利。

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Research on Construction Technology for Cross Node of

Cross Interchange Subway Stations

——Taking Metro Line 1 Liberation Road Station in Changchun as an Example

TIAN Mao-guo

(The Third Engineering Company of China Railway 18 Bureau Group Co. Ltd, Zhuozhou, Hebei, 072750, China)

Abstract:With the rapid development of Metro Rail Transit, more and more inevitable transfer station project will appear and with lots of problems of the construction technology of transfer hub station. There are lots of schemes to choose about the cross nodes construction of cross interchange metro station by shallow excavation. In order to control the settlement and make sure the safety of pedestrians and driving, the paper takes Metro Line 1 Liberation Road Station in Changchun as the example, analyzes the settlement, the stress distribution of key nodes, the variety of plastic zone of soil and other factors, and gets the optimal solution of constructing connection segment by breaking the horsehead from the lining, which provides the technology and experience for the following construction on interchange stations and the key nodes and guides the similar projects, promoting the development of the railway traffic technology.

Key words:cross interchange metro station by shallow excavation; cross node; construction technology; construction scheme; numerical simulation

基金项目：杨凌职业技术学院科学研究基金(A2015047)

中图分类号：U231+.4

文献标识码：A

文章编号：1671-9131(2015)04-0025-05

作者简介：田茂国(1981-)，男，山东省汶上县人，工程师。研究方向：公路、房建、铁路、地铁等领域。

收稿日期：2015-09-06 2015-09-21