既有地铁车站暗挖扩建施工安全性影响研究

朱郁文/ZHU Yu-wen

（深圳高速工程顾问有限公司，广东 深圳 518000）

随着我国城市化进程逐步加快，为了缓解城市交通和空间压力，地铁建设是解决该问题的有效措施之一。在地铁线网不断扩容、调整时，后期线路与先期已运营的线路经常出现换乘、接驳问题。由于新旧线路规划的不同步、工程周边环境条件复杂等原因，使得既有地铁车站、区间的改造工程具有建设风险高、技术难度大的特点，成为后期线路建设的工程重难点。

截至目前，国内外已有不少既有地铁车站成功扩建的案例，例如：莫斯科“库尔斯卡亚”地铁车站历时13个月对车站自动扶梯隧道进行彻底改造；上海地铁3号线上海站新增两股配线和一个岛式站台，不仅实现同站台的同向换乘，还改共线运行为分线运行，提高轨道交通运营能力。上述扩建工程经过实践验证，满足工程需求，能够较好的指导同类工程。但是随着工程建设复杂性的不断提升，国内出现了采用浅埋暗挖法从既有车站外部进行既有车站零距离扩建施工的工程案例，而国内相关研究在此工程及研究领域内较为空白。

因此，本文基于FLAC3D有限差分软件，依托周边环境复杂、地质条件恶劣的深圳某地下车站暗挖扩建工程，对该挖扩建工程的施工方案进行数值仿真模拟。

1 暗挖扩建工程概况及特点

1.1 暗挖扩建工程概况

深圳某地铁原车站设置在轨道线路以南，建设期又考虑到与3号线的换乘问题，故预留了将站台改到北侧的条件。为此，将车站有效站台部位相应的北侧内衬墙改为了壁框梁柱体系，待3号线建设时，拆除该范围内连续墙，施做叠合梁柱，与新建站台部分结构连接。工程平面布置如图1、图2所示。

图2 工程典型剖面图

扩建的车站共有地下3层结构，车站开挖深度约23m，车站上层覆土厚度约4.6m，净宽6m，长145m，其中，因扩建施工使得永新商业城受到影响的区段长约50m，扩建工程期间需要对永新商业城建筑既有桩进行局部桩基托换处理。本文研究重点为对永新商业城有较大影响的50m部分。该车站扩建工程主要包括如下工程步骤：暗挖洞室施工（图1左端进洞）→洞内加固、地层加固→施做人工挖孔桩围护结构→商业城基桩托换→开挖基坑、逐层施做扩建车站主体→分段破除既有车站地下连续墙，施做叠合梁柱。

1.2 工程地质情况

工程范围内主要地层为第四系全新统人工填土层(Q4ml)、冲洪积砂层(Q4m+al)、残积粘性土层(Qel)，下伏基岩为燕山期（γ53）花岗岩、震旦系云开群（Zyk）花岗片麻岩。地层自上而下为素填土、粉质粘土、粉砂、中砂及花岗片麻岩。地下水面受大气降雨和蒸发的影响，水位埋深一般为1.2～4.3m。

2 暗挖扩建工程数值模型及参数选取

2.1 模型建立

模型尺寸定为长80m、宽70m、高50m，依据施工步骤，将模型分为6大块，分别为既有车站结构、永新商业街结构、暗挖隧道施工区域、人工挖孔桩施工区域、基坑开挖区及车站主体结构、地层土体区域。

2.2 材料参数选取

土层力学模型采用摩尔-库伦模型，车站结构、扩建结构、既有桩及车站附属结构力学模型均采用弹性模型。材料参数主要参考相关文献、规范及地勘资料，各材料计算参数列于表1、表2。

表1 材料参数表

表2 Beam单元材料参数表

3 既有车站暗挖扩建工程施工影响分析

3.1 暗挖扩建工程对既有车站位移场的影响

为即时监测车站位移变化，于沿车站纵向10m、40m、70m（对应断面1、2、3）位置处的各层底板、侧墙、铁轨上均布置了监测点（图3），对其水平方向及竖向方向位移予以监测。此外，图例中第二层底板1表示第一断面的第二层底板监测点情况。

图3 监测点布设示意图

图4 既有车站中间层底板发展情况

分析既有车站底板位移（图4）可知：①隧道开挖时各断面水平位移相差不大，从桩基施工开始测点2的位移发展明显大于其他两点，位移方向向基坑内，最大水平位移为0.38mm，这应是由于测点1、3远离基坑开挖区中心，而测点2处在基坑开挖区中心，使得开挖带来的变形较大；②3个施工阶段内，基坑开挖带来的水平变形最为明显，以断面2为例，基坑开挖阶段变形占比总变形量的72%，说明在基坑开挖时最需要注意对既有车站底板水平位移的影响。

分析既有车站侧墙位移可知：近坑侧各层发展规律不一，第三层位移发展总体较小，而第一、二层侧墙在基坑开挖初期水平位移发展迅速，随混凝土支撑逐步浇筑承载后位移迅速下降，开挖完成后近坑侧最大位移为0.16mm，发生于第一层近坑侧墙处；远坑侧侧墙水平位移发展规律各层基本一致，基坑开挖阶段内水平位移迅速发展，最大位移值为0.36mm，发生于第二层侧墙处；③各层两侧侧墙相对位移分别为0.16mm、0.32mm、0.29mm，从该数据可得侧墙相对位移呈现“中间大两头小”的趋势，但变形量总体较小。

3.2 暗挖扩建工程对既有车站应力场的影响

从应力角度分析车站结构最危险点为两侧侧墙与底板交接处，最大水平、竖向应力增幅为42.8%、34.1%，最大水平、竖向应力值为3.98MPa、3.5MPa，在施工阶段内应能满足既有车站材料应力要求，但仍需对既有车站特别是两侧侧墙与底板交接处进行定期监测。

3.3 基坑开挖对扩建车站围护结构的影响

为分析基坑开挖期间扩建车站围护结构（人工挖孔桩）的变形特征，以等分法选取3个围护结构监测断面，各断面于桩顶、桩中、桩底布置位移监测点，布设示意图如图5所示。

图5 人工挖孔桩位移监测布置

表3 各监测断面桩体最终水平位移表 （mm）

由表3可知：①围护结构最大水平位移沿纵向呈现“两头小中间大”的规律性特征，这与围护结构受力形式有关；②该模型围护结构最大水平位移沿深度呈现“桩中位移大，桩顶位移较小，桩底位移很小”的组合式围护结构变形特征；③桩身位移最大为11.2mm，方向为向基坑内侧，围护结构水平变形总体不大，能满足桩体相关位移要求。

3.4 现场监测与数值模拟结果对比

为对比验证本文数值模拟的正确性，将隧道变形监测结果与本文数值模拟结果进行对比，分析可知：隧道开挖至扩建工程结束，最大实测收敛值为6.76mm；本文数值模型最大收敛为8.7mm，其中，基坑开挖期间周边收敛发展值为总收敛的72%；实测数据与数值模拟结果基本一致，且最值部位均发生与隧道中段附近，故数值结果与现场测试数据吻合较好，验证了该模型模拟计算的正确性。

除收敛变形外，隧道拱顶沉降位移亦能较好吻合：实测数据显示最大沉降值为16.72mm，而数值模型结果最大拱顶沉降值为19.89mm，且最大值均发生于隧道中段附近。

4 结论与讨论

本文依托深圳某车站暗挖 扩建工程，基于FLAC3D有限差分软件，建立三维数值分析模型，探讨了浅埋暗挖隧道施工、上覆建筑桩基托换施工、基坑开挖及扩建车站主体施工对该车站结构物、地层的影响规律，结论如下。

1）随暗挖扩建施工的不断进行，既有车站竖向变形分布呈现随深度越深其变形量越大的变化规律，水平位移分布沿深度呈现“中间大两头小”的变化规律。

2）既有车站单侧开挖扩建会引发轨道结构产生不对称变形，呈现“远坑侧轨道位移大于近坑侧”的规律性特征，不利于运营线路的正常使用。因此，施工过程中应对轨道变形情况进行严格控制及监测，亦应对轨道差异性变形制定相关控制标准。

3）现场施工时应分层、分段开挖，减少土体扰动，随挖随撑，按规定时限安装支撑并施加预应力，并做好基坑围护结构及周边构筑物的监测工作，保障工程安全有序进行。