郑州地铁T型换乘站后期施工基坑的支撑布置优化

付大喜 张铭举

(河南交通规划设计研究院股份有限公司，450052，郑州//第一作者，高级工程师)

郑州地铁多为明挖法施工，其车站换乘形式多为T型换乘。先期施工的车站预留换乘节点，待远期规划车站实施后再接通换乘。减小后施工车站基坑开挖对已运营车站结构的扰动，是T型换乘站后期基坑设计和施工的重难点。

文献[1]根据二维有限元计算结果分析了明挖法后开挖基坑对运营车站结构变形的影响，指出水平位移为后期基坑开挖后换乘节点结构的主要变形。文献[2]建立三维有限元模型,研究了盖挖逆作法基坑对既有车站结构变形的影响，指出盖挖逆作法能有效控制基坑开挖对既有车站结构变形的影响。

本文采用现场监测和三维数值分析结合的研究方法，以郑州地铁五一公园站为例，分析T型换乘站在后期车站明挖基坑开挖过程中，既有运营车站结构的变形规律，并论证取消水平斜撑优化方案的可行性。

1 工程概况及难点

1.1 工程概况

五一公园站是郑州地铁1号线和5号线的换乘车站。其换乘关系如图1所示。5号线车站为后施工车站，将与1号线车站预留的换乘节点接通，实现T型换乘。已运营的1号线车站为双柱三跨地下2层车站，局部换乘节点为地下3层，从顶板到底板的各层板厚依次为0.8 m、0.4 m、0.7 m及1.0 m，侧墙厚度为0.6 m。 5号线为地下3层站，其底板埋深约23.1 m，与换乘节点底板底齐平。

图1 五一公园站T型换乘关系示意图

1.2 基坑围护方案及难点

在1号线车站结构变形不影响正常运营的前提下进行5号线车站基坑的施工成为本工程的重难点。5号线五一公园站基坑采用明挖法施工，其围护形式为钻孔灌注桩+内支撑。基坑支撑布置如图2～3所示,自上而下共设置4道支撑。第1道为800 mm×1 000 mm钢筋混凝土支撑，第2～4道为直径800 mm、壁厚16 mm钢管支撑。待5号线车站主体结构建成后，将凿除1号线车站预留换乘节点处的钻孔桩和侧墙，实现与1号线的接通。关键施工阶段如表1所示。

图2 五一公园站基坑支撑平面布置示意图

图3 五一公园站基坑支撑剖面布置示意图

明挖法施工常在后期开挖基坑与换乘节点交接处设置多道水平斜撑。设计初衷在于平衡基坑开挖后换乘节点背基坑侧的侧向土压，从而减小运营车站的结构变形。但是水平斜撑对结构受力的利弊尚不明确，且斜撑一端撑在需凿除的先期围护桩上，不仅加大了施工难度，而且会延长工期和增加成本。考虑到场地地质条件较好，五一公园站工程取消了水平斜撑的架设，并对1号线既有运营车站结构进行实时监测。

表1 郑州地铁5号线五一公园站关键施工阶段

1.3 工程地质条件

车站场地属于郑州地质分区B区地貌单元,即山前冲洪积缓倾平原。场地55 m以上地基土均属第四系(Q)沉积地层，地层从上到下主要为第四系全新统人工堆积层(Q4ml)、第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)、第四系中更新统坡洪积层(Q2dl+pl)。地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水。勘察期间地下水稳定水位埋深为30.2～31.4 m，位于基坑底以下。各地层物理力学参数如表2所示。

表2 地层物理力学参数

2 监测点布置及变形控制标准

根据工程实际情况和监测规范要求，1号线五一公园站车站结构变形的监测点布置在侧墙及底板轨行区。主要监测点布置如图4所示。侧墙上的测点沿深度方向均匀布置，轨行区底板的测点2—6沿线路方向均匀布置。

根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》和CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，既有城市轨道交通结构变形限制确定为：水平和竖向位移预警值为±5 mm，报警值为±10 mm。

图4 主要监测点布置示意图

3 施工监测结果及分析

3.1 轨行区底板变形分析

对测点2～6提取监测结果，得到5号线五一公园站基坑开控期间各测点的位移情况,如图5所示。

a) 底板测点水平位移

b) 底板测点竖向位移

由图5可以看出，随着基坑的开挖，轨行区底板的竖向和水平变形位移值均逐渐增加，且均小于±5 mm，符合规范要求。

随着基坑的开挖，轨行区底板竖向变形表现为先下沉后上升，水平向变形表现为向基坑开挖侧偏移，且水平位移变化幅度仅为竖向位移变化幅度的20%。分析可知，基坑开挖卸载导致坑底隆起[3-5]，是底板变形的主要影响因素。不架设水平斜撑的情况下，换乘节点自身刚度足以抵抗不平衡土压的作用，仅产生微小的水平变形，凿除换乘节点围护桩和侧墙后水平位移仅产生微小发展。这一结果与文献[1]采用二维有限元计算所得的既有结构变形特点不同，可能是由于二维模型不能考虑基坑开挖的空间效应[6]和地质条件不同等原因所致。开挖1阶段与开挖2阶段的结构变形量之和约占总变形量的50%。完成开挖2阶段时,基坑坑底标高已经低于1号线车站底板。此时结构受到基坑开挖的扰动最为明显，建议施工时加强监测。

3.2 换乘节点侧墙变形分析

右侧墙为临开挖侧，代表测点为沿侧墙深度布置的测点1。对测点1提取监测结果，得到测点在不同施工阶段的竖向位移和水平位移(见图6)。

a) 右侧墙测点竖向位移

b) 右侧墙测点水平位移

由图6可以看出，随着基坑的开挖，换乘节点临开挖侧的侧墙竖向和水平变形位移值均逐渐增加，且均小于±5mm，符合规范要求。同一位置的竖向位移变化幅度大于水平位移，进一步证明了换乘节点自身刚度足以抵抗不平衡土压，不需设置水平斜撑。

4 有限元计算及分析

4.1 数值分析模型说明

本次模拟选用的修正摩尔库伦本构模型，是在摩尔库伦本构模型的基础上改进的，考虑了土体剪切硬化，更接近于塑性理论，能更好地模拟基坑开挖过程。

在Midas GTS NX软件的三维建模中，岩土采用3D实体单元进行模拟，围护桩按刚度等效成地下连续墙采用2D板单元模拟，主体结构板墙和梁柱分别采用2D板单元和1D梁单元模拟。根据基坑工程影响分区并考虑尺寸效应，将模型尺寸确定为250 m×150 m×65 m。所建三维模型如图7所示。

4.2 计算结果与监测数据对比分析

对未架设水平斜撑的基坑施工工况进行建模计算，并将计算结果与监测数据进行对比。选取具有代表性的侧墙位移测点1和轨行区底板位移测点2～6在开挖4阶段的数据，绘制位移曲线(如图8～9所示)。

对比测点位移的计算值和实测值可以发现，换乘节点底板和侧墙的位移计算值与实测值偏差较小，结构的总体变形发展趋势基本一致。这说明有限元数值计算选取的本构、参数和计算方法是合理的，故其数值计算和实际监测结果相互印证。由图8～9还可发现，计算值较实测值曲线更平缓。这可能是由计算中无法考虑的施工荷载、地面车辆及人为等因素所致。

a) 底板测点水平位移

b) 底板测点竖向位移

a) 右侧测点墙水平位移

b) 右侧测点墙竖向位移

5 结论与建议

根据现场监测结果，取消水平斜撑的基坑在开挖过程中，其换乘节点处的结构变形满足规范限值要求，且竖向变形大于水平变形。这说明结构变形主要是坑底隆起所致结构上抬的竖向位移，即使凿除换乘节点侧墙结构自身刚度依然足以抵抗基坑开挖引起的不平衡侧向土压力。故建议今后类似工程可取消水平斜撑，减小后期凿桩、凿墙难度，节省工期。

为减小坑底隆起引起的既有运营车站竖向位移，应优化工筹安排。为减小地层卸荷量，后期新建车站应分段开挖和施作，基坑开挖后应尽快进行主体结构施作和基坑回填。