新建地铁站基坑临近及无覆土下穿运营地铁站安全技术措施研究

王怀东, 刘方明, 彭红霞

(1. 中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308； 2. 南京地铁建设有限责任公司, 江苏 南京 210036)

0 引言

随着大中型城市轨道交通日益向网络化、规模化发展，轨道交通新线不可避免地会与既有轨道交通发生交叉。由于城市地铁建设的不确定性、线网规划调整及地铁结构的复杂性等因素，部分线路的换乘节点没有在前期车站的建设中一并施工，导致在后续线路的建设中需增设换乘节点。长距离通道换乘方式不及厅-台等换乘方式有效，因此往往需要采用下穿前期车站的施工方法来实现便利的换乘功能。后续线路实施时必须保证施工安全及既有线路的安全运营。

换乘车站下穿既有地铁车站施工方案，国内外已有部分类似工程案例的文献报道。陶连金等[1]依托北京地铁新建10号线公主坟站下穿既有1号线公主坟站工程实例，提出了平顶直墙CRD+多重预顶撑的暗挖施工工艺，并通过数值计算确定了施工各阶段的沉降控制指标。王春希[2]通过对暗挖隧道下穿既有站采用不同工法及不同加固范围的计算分析比较，并依据地铁站结构变形控制值，来确定暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施，结果表明，采用CRD工法开挖，比全断面法及台阶法对控制竖向位移效果显著； 隧道掌子面及周边一定范围土体采用深孔注浆加固，可以有效控制既有车站结构及轨道竖向变形，满足既有线结构使用和运营要求。李骥[3]以北京某新建PBA工法地铁车站密贴下穿既有车站为例,通过数值模拟及车辆-轨道耦合动力分析等技术,研究了PBA工法的群洞效应、洞桩法穿越施工对既有结构的影响规律、穿越过程对地铁列车动力性能的影响以及相应的风险控制技术措施等。文献[4-7]以北京地铁9号线军博站主体下穿1号地铁既有线[4]、大连地铁2号线南南区间下穿哈大客运专线站场[5]、深圳地铁7号线皇岗村站至福民站的新建小间距双线平顶隧道施工区间工程[6]、北京地铁6号线东四站—朝阳门站区间下穿既有5号线东四站[7]为例，主要研究了暗挖工法下穿既有站的风险及控制措施。

薛长迁[8]在借鉴传统深基坑施工方法的基础上，对换乘车站超深基坑的超深地下连续墙施工及基坑降水等方法进行优化，辅以施工监测和信息化管理手段，总结出换乘地铁车站中新建车站基坑的施工方法。梁栋等[9]结合某高速公路桥梁基础基坑工程，利用MIDAS/GTS软件进行平面数值计算，深入探讨了不同开挖深度、不同相隔间距、不同基坑尺寸、不同嵌固深度和不同桩基刚度等对支挡结构变形特征的影响，为既有路基旁基坑开挖支护设计提供了技术参考。杨庆刚[10]以临近既有2号线莫愁湖站的南京地铁7号线新建莫愁湖站基坑施工为实例,运用有限元软件对施工过程进行了建模分析,提出了相应处置措施。文献[11]和文献[12]分别介绍了深圳地铁5号线前海湾站基坑工程对与其相邻的1号线鲤鱼门车站工程的影响[11]、天津市天河城购物中心项目工程对紧邻的天津市地铁3号线和平路站的影响[12]，并提出相关风险控制措施。

以上例子均是针对基坑工程或暗挖工程对既有站的影响，提出各种风险控制措施。从各种例子可以看出，目前在国内基坑临近及无覆土暗挖下穿叠加影响的工程经验较少。本文结合南京地铁5号线上海路站的工程特点，对基坑临近及无覆土暗挖下穿地铁站的技术进行研究，提出风险管控措施，以期为后续类似工程的建设提供借鉴。

1 工程概况

1.1 建筑结构布置

南京地铁5号线工程上海路站位于上海路与汉中路交叉口下方，沿莫愁路、上海路南北走向。

新建车站与2号线上海路站十字相交，相交处5号线上海路站下穿2号线上海路站。2号线上海路站标准段宽21.8 m，底板埋深约15.6 m，车站总长211.4 m。5号线上海路站暗挖节点处宽约25 m，底板埋深约23.1 m，车站总长346.5 m，暗挖段长度约22 m，暗挖高度约7.713 m。上海路站总平面如图1所示，下穿既有站纵剖面关系如图2所示。2号线车站为地下2层双柱三跨箱形框架结构，岛式站台，站台宽13 m，地下1层为站厅层，地下2层为站台层。

图1 上海路站总平面图

Fig. 2 Profile showing relationship between Shanghai Road Station and existing station (unit： m)

既有车站主体结构采用明挖顺作法施工，基坑深15.56～16.36 m，围护结构主要采用φ1 200人工挖孔桩，桩间采用分层挂网喷锚支护。车站于2005年12月全面开工，2010年5月28日正式运营。

1.2 预留条件

既有车站实施时仅预留与5号线换乘条件，未实施换乘节点，即底板预留洞边梁，底板以下预留8根长10 m、直径900 mm的钢筋混凝土柱(柱下无基础)，4根长7.81 m、直径800 mm的钢管柱(柱下有扩大基础，尺寸为2 m×2 m×3 m)，既有车站换乘节点预留条件纵剖面如图3所示。

Fig. 3 Longitudinal profile of reserved conditions for station transfer nodes (unit: mm)

1.3 永久性结构监测情况

既有线路在2010年5月28日正式运营，自2010年12月起进行沉降监测，监测频率约为每年2次。换乘节点处车站结构监测情况如图4所示。

(a) 上行线路

(b) 下行线路

运营期间，车站结构相对于运营期初值最大沉降量为3.7 mm<20 mm、最大隆起量为0.8 mm<10 mm； 相对于铺轨完成后最大沉降量为5.4 mm<20 mm，最大隆起量为8.2 mm<10 mm。运营车站处于稳定状态。

1.4 工程地质及水文地质条件

拟建场地地貌单元为长江阶地与秦淮河漫滩交界带。基坑开挖范围主要为填土层、粉质黏土、含卵砾石粉质黏土、粉质黏土夹粉砂、强风化砂砾岩和中风化砂砾岩； 暗挖隧道开挖范围主要为含卵砾石粉质黏土、粉质黏土夹粉砂、强风化砂砾岩和中风化砂砾岩。暗挖换乘节点段地质剖面如图5所示。

拟建场地周边无地表水体，本场地地下水有孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。承压水含水层为卵砾石粉质黏土，因土层渗透性差异大，具承压性。

2 既有车站变形控制标准

根据轨道交通条例，临近基坑和下穿暗挖换乘节点段均位于既有线路特别保护区内。结合《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[13]、《江苏省城市轨道交通工程安全监测技术规程》[14]和运营监测数据综合分析，新建车站施工过程中运营车站的变形控制标准如表1所示。

3 新建工程对既有车站影响风险控制措施

3.1 基坑工程

既有车站围护结构向下延伸至负2层底板以下2.5 m。新建明挖基坑直接开挖至既有车站围护结构处，基坑开挖期间既有站围护需全部破除、负3层土体直接全部暴露，无水平约束、底部土体易滑移变形，既有车站风险不可控。新建基坑无隔离桩支护纵断面如图6所示。

为有效控制新建基坑施工期间既有站的变形，在换乘节点两侧各新增1排钻孔灌注桩进行隔离防护负3层土体，随着暗挖隧道的开挖逐块破除支护桩，确保换乘节点两侧为独立完整基坑。为避免开挖期间引起既有结构偏载，在换乘节点两侧新建基坑与隔离桩自上而下设置斜向支撑进行加强，斜向支撑与基坑对撑之间错位布置。新建独立完整基坑既有站保护斜支撑布置如图7所示，新建独立完整基坑支护纵断面如图8所示。

3.2 无覆土暗挖换乘节点段下穿工程

换乘节点新建车站需采用暗挖施工下穿既有车站。暗挖隧道采用2个边导洞先行、再施工中导洞，最后开挖中导洞与边导洞之间土体。采用上下台阶法进行开挖，左右导洞对称施工。原设计方案上排导洞采用U型钢架结构，边导洞横向跨度6 m，下穿暗挖节点采用分段分步开挖，在开挖过程中每3 m辅以φ609、t=16 mm钢立柱支撑2号线底板，并约束5号线底板，边导洞在拆除中间的钢架后，架设换撑减少侧墙的变形。调整前新建车站下穿既有站主要分步开挖示意如图9所示。

标高单位为m。

图5 暗挖换乘节点段地质剖面(单位： mm)

图6 新建基坑无隔离桩支护纵断面

Fig. 6 Cross-section showing support without separation pile of newly-built foundation pit

为避免开挖导洞钢架上支点悬臂引起留置土柱松弛、甚至坍塌现象，边导洞、中导洞均需实现钢架闭合。

由于车站钢筋混凝土立柱持力层为强风化岩和中风化岩，很有可能出现边导洞开挖期间既有站的结构下沉，因此应尽量减小边导洞宽度，按导洞边墙至预留边立柱净距满足人工手推车出土条件进行优化，优化边导洞净宽为2.5 m。

为避免钢架拆除过程中侧边墙变形和坍塌，边导洞应采用分段施作结构和换撑方式拆除顶部钢架。边导洞结构完成后，应在千斤顶竖向临时支撑架设完成后再进行中导洞的开挖。调整后新建车站下穿既有站主要分步开挖示意如图10所示。

4 基坑临近车站工程和无覆土下穿暗挖换乘节点段工程数值分析

4.1 计算模型

4.1.1 基本假定

数值模拟过程中，对地层结构进行部分简化和处理，本次计算基本假定包括：

1)初始应力只考虑围岩的自重应力，忽略构造应力的影响；

2)所有材料均为均质、连续、各项同性，土体水平成层分布；

3)围岩按摩尔-库仑理想弹性材料计算；

4)机械荷载不考虑机械在运作过程中产生的振动荷载。

图7 新建独立完整基坑既有站保护斜支撑布置(单位： mm)

标高单位为m。

图8新建独立完整基坑支护纵断面(单位： mm)

Fig. 8 Longitudinal profile of support for new-built foundation pit (unit: mm)

(a) 导洞开挖示意 (b) 内部结构施工示意

图9调整前新建车站下穿既有站主要分步开挖示意

Fig. 9 Sketches of stepped excavation before optimization

(b) 中导洞开挖示意

(c) 内部结构施工示意

图10调整后新建车站下穿既有站主要分步开挖示意图

Fig. 10 Sketches of stepped excavation after optimization

4.1.2 参数选取

1)基坑周边机械荷载模拟。基坑开挖采用单元钝化的方式进行模拟，机械荷载等效为均布荷载，施加于基坑外侧地表。

2)接触模拟。由于材料性能不同，根据变形协调条件，结构和土体之间在变形的过程中会产生一定的缝隙，而不是完全接触。在数值模拟过程中，采用借出单元对结构与土体之间的接触进行模拟。

3)围岩结构及围岩模拟。本次对基坑围护结构模拟时采用弹性本构模拟，围岩模拟采用Mohr-Coulomb模型，Mohr-Coulomb模型是弹性-塑性本构，其破坏准则是受最大剪应力控制的，可通过反映最大和最小主应力关系的摩尔圆来表现。

4.1.3 计算模型

采用土体范围为300 m×150 m×50 m(长×宽×高)有限元模型，模型外侧土体四周约束其水平位移，底部边界约束其竖向位移，地表为自由边界。在此区域模拟土层，通过激活和钝化开挖区的土体单元、结构单元模拟暗挖施工过程。新建工程对既有工程影响三维仿真模型如图11所示。

4.2 计算工况

为更加直观地分析新建工程施工对既有工程站的影响，主要研究以下问题： 1)基坑开挖对既有工程的安全影响分析； 2)暗挖段开挖对既有工程的安全影响分析。

采用大型有限元差分软件MIDAS GTS-NX分析新建工程施工对既有工程结构变形和内力的影响。

(a) 整体模型

(b) 新建工程

(c) 既有工程

图11新建工程对既有工程影响三维仿真模型

Fig. 11 Three-dimensional simulation model of influence of newly-built station on existing station

4.3 数值分析计算结果

4.3.1 基坑开挖对既有车站的影响

基坑开挖引起的沉降如图12和图13所示。

4.3.2 暗挖换乘节点段施工对既有车站的影响

暗挖施工引起的沉降如图14和图15所示。

经过计算分析，基坑和暗挖施工引起的既有车站变形统计如表2所示。从表2可知： 最大沉降3.6 mm，立柱最大沉降2.3 mm，最大隆起量0.02 mm，立柱差异沉降0.4 mm，轨道横向高差3.5 mm，纵向高差3.4 mm，均控制在标准允许范围内。

图12 基坑开挖引起底板竖向沉降(单位： m)

Fig. 12 Nephogram of vertical settlement of base induced by foundation pit excavation (unit: m)

图13 基坑开挖引起立柱竖向沉降(单位： m)

Fig. 13 Vertical settlement of column induced by foundation pit excavation (unit: m)

图14 暗挖施工引起底板竖向沉降(单位： m)

Fig. 14 Vertical settlement of base induced by mining excavation (unit: m)

图15 暗挖施工引起立柱竖向沉降(单位： m)

Fig. 15 Vertical settlement of column induced by miming excavation (unit: m)

表2新建基坑工程、暗挖工程引起既有车站变形统计

Table 2 Deformation statistics of existing metro station induced by newly-built foundation pit and mining excavation

阶段分析项目变形值/mm基坑工程底板沉降0.11底板上浮-0.02水平位移0立柱沉降0立柱差异沉降0轨道横向高差0.10轨道纵向高差0.11暗挖工程底板沉降3.6底板上浮0水平位移0立柱沉降2.3立柱差异沉降0.4轨道横向高差3.5轨道纵向高差3.4

4.3.3 既有车站内力影响分析

基坑开挖完成后既有车站构件弯矩和轴力如图16和图17所示； 暗挖换乘节点段完成后既有车站构件弯矩和轴力如图18和图19所示。

(a) 既有车站结构底板弯矩影响(开挖至坑底)

(b) 既有车站结构侧墙弯矩影响(开挖至坑底)

Fig. 16 Bending moment of existing metro station structure after excavation of foundation pit (unit: kN·m)

图17 基坑开挖完成后既有车站构件轴力(单位： kN)

Fig. 17 Axial force of existing metro station structure after excavation of foundation pit (unit： kN)

(a) 既有车站结构底板弯矩影响(暗挖完成)

(b) 既有车站结构侧墙弯矩影响(暗挖完成)

(c) 既有车站结构柱弯矩影响(暗挖完成)

Fig. 18 Bending moment of existing metro station structure after mining excavation of transfer mode (unit： kN·m)

Fig. 19 Axial force of existing metro station structure after mining excavation of transfer mode (unit： kN)

根据图16—19的计算结果，得出既有车站框架结构内力结果如表3所示，预留立柱结构内力结果如表4所示。

表3新建工程期间既有车站框架结构内力统计

Table 3 Statistics of internal force of existing metro station frame structure during construction of newly-built station

kN·m

表4新建工程期间既有车站预留立柱结构内力统计

Table 4 Statistics of internal force of existing metro station reserved column during construction of newly-built station

kN·m

4.3.4 内力分析计算

4.3.4.1 2号线底板结构内力受力分析

新建工程期间既有车站底板结构内力分析见表5。

表5新建工程期间既有车站底板结构内力分析

Table 5 Statistics of internal force of existing metro station base structure during construction of newly-built station

构件及特征实际配筋开挖后内力/(kN·m)强度验算结果裂缝验算结果底板900 mmC30C25@200365.7满足满足

4.3.4.2 2号线负2层侧墙结构内力受力分析

新建工程期间既有车站负2层侧墙结构内力分析见表6。

表6新建工程期间既有车站负2层侧墙结构内力分析

Table 6 Statistics of internal force of sidewall structure of basement 2 of existing metro station during construction of newly-built station

构件及特征实际配筋开挖后内力/(kN·m)强度验算结果裂缝验算结果侧墙600 mmC30C25@200311.3满足满足

4.3.4.3 车站运营阶段结构受力核算

1)站厅层增设立柱核算。新建工程期间既有车站框梁结构内力分析如表7所示。

处理措施： 换乘厅增设立柱，并做好加固处理。加立柱后新建工程期间既有车站框梁结构内力分析如表8所示。

表7未加立柱时新建工程期间既有车站框梁结构内力分析

Table 7 Analysis of internal force of existing metro station frame structure without column during construction of newly-built station

构件及特征实际配筋开挖后内力/(kN·m)强度验算结果裂缝验算结果RAL4500 mm×1 100 mmC30支座12ϕ32跨中8ϕ32腰筋8ϕ20箍筋ϕ12@100/200(4)支座1 352跨中2 156不满足0.594>0.3不满足

表8加立柱后新建工程期间既有车站框梁结构内力分析

Table 8 Analysis of internal force of existing metro station frame structure with column during construction of newly-built station

构件及特征实际配筋开挖后内力/(kN·m)强度验算结果裂缝验算结果RAL4500×1 100 mmC30支座12ϕ32跨中8ϕ32腰筋8ϕ20箍筋ϕ12@100/200(4)支座546跨中1 226满足0.292<0.3满足

2)换乘节点底板核算。列车荷载按35 kPa考虑，2号线换乘节点处原结构尺寸如图20所示，结构底板内力分析如表9所示。

3)抗浮设计核算。新建车站暗挖隧道与既有站底板连接、新增抗拔桩措施，既有站侧墙接口打开后，经核算抗浮安全系数1.2>1.15，满足规范要求。

图20 换乘节点结构平面布置(2号线站厅层)(单位： mm)

Fig. 20 Plan of layout of transfer node structure (hall floor of Line No. 2) (unit: mm)

表9新建工程期间既有车站换乘节点底板结构内力分析

Table 9 Analysis of internal force of base structure of transfer node of existing metro station during construction of newly-built station

构件及特征实际配筋开挖后内力/(kN·m)强度验算结果裂缝验算结果底板900 mmC30主筋跨中C25@200主筋支座C25@200+C25@200分布筋跨中C22@200分布筋支座C22@200+C22@200381.25606.85232.50370.07满足满足满足满足满足满足满足满足

5 结论与建议

综上分析，基坑临近通过设置隔离桩在换乘节点两侧形成独立完整基坑、暗挖换乘节点段按10步完整导洞开挖，可有效确保运营地铁车站安全。在今后类似工程中安全控制措施应重点注意以下几点：

1)在既有站临近基坑工程和下穿暗挖工程施工时，应根据施工顺序进行叠加变形影响分析。基坑工程施工完成后的残余允许变形量作为后续暗挖施工的控制标准。

2)临近既有站基坑工程施工时，支护施工、降水、基坑开挖均可能对既有站产生影响。其中，支护和降水的影响主要在软土地区，建议进行提前隔离和隔断地下水措施。复合地层影响主要体现为施工振动、侧向卸载过大，建议采取振动较小的成孔工艺和非爆破施工技术，基坑开挖应避免既有站支护吊脚、开挖卸载阶段采取侧向施加临时水平支撑的荷载补偿措施。

3)竖向沉降变形是下穿既有车站暗挖施工的控制重点，采用多导洞、小分块开挖方式可有效控制变形。同时，新建工程与既有站底板之间若保留土体，土体塌落和土体压缩变形不易控制，建议尽量采用无覆土形式下穿。

4)暗挖下穿既有车站时，应注重换撑在控制既有站结构沉降和底板封闭前成品保护的积极作用。