新建地铁结构近接既有地铁车站工程全过程分析

朱 峰

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

由于城市环境复杂，新建地铁项目面临的建设难度越来越大，例如近接既有建构筑物等。如果对工程采取的措施不到位，将会对既有结构的正常使用产生影响，甚至造成严重破坏。针对沈阳地铁九号线工程奥体中线站及奥-奥区间临近既有地铁二号线奥体中心站施工，采用有限元方法建立模型进行全过程模拟，对工程方案进行分析。

1 工程概况

奥体中心站是沈阳地铁九号线与二号线的一个换乘站，其中九号线车站部分位于青年南大街下，东西两端均位于绿化用地范围内，大致呈东西向布置。奥体中心站为14m岛式站台车站，车站总长150m，两端为明挖三层，中间跨路段为暗挖三层。地铁九号线奥体中心站～奥体东站下穿既有二号线奥体中心站后，沿浑南四路走向，至奥体东站，在奥体东站前设置单渡线。该区间全部采用矿山法施工。

2 工程风险

新建地铁结构共有三个地方对既有车站产生影响：

(1)奥-奥区间双线下穿二号线奥体中心站施工；

(2)九号线奥体中心站东侧基坑近接二号线奥体中心站施工；

(3)九号线奥体中心站附属结构基坑近接二号线奥体中心站施工。

3 结构设计参数

(1)地铁2号线奥体中心站

奥体中心站为岛式站台车站，有效站台宽度12m，车站主体结构总长163.8m。车站为两层三跨的箱型框架结构，标准段宽20.5m，结构顶板覆土厚度约3.5m，底板埋深约16.90m。结构各层板及梁、外侧墙为C30防水混凝土。主体结构柱为C50混凝土。

(2)地铁9号线奥体中心站东侧基坑

奥体中心站九号线为三层站，二号线为二层站。车站采用两端明挖三层，中间暗挖三层的结构形式。东侧基坑深约25m，宽约28.5m，采用钻孔灌注桩加钢支撑的支护形式。东端明挖基坑临近既有站，结构间最小距离约2.65m，最大距离6.78m。

(3)地铁9号线奥体中心站换乘厅基坑

换乘厅采用明挖法施做，采用围护桩+内支撑围护体系，基坑深约25m。

(4)地铁奥-奥区间下穿车站段

初期支护采用C25喷射混凝土，厚度350mm，格栅间距0.5m，隧道施工时对开挖范围周边2m土体进行深孔注浆加固；二次衬砌采用C40钢筋混凝土，顶、底板厚度800mm，侧墙厚度700mm。

4 地质勘察情况

根据钻探揭露，按照其沉积年代、成因类型及岩性，此范围内自上而下的地层为：杂填土①-1、粉质粘土③-1-32、砾砂③-8-3、圆砾③-9-3、砾砂④-8-4、圆砾④-9-4等。其中③-1-32粉质黏土呈可塑状态，分布基本连续，性质稳定；③-8-3砾砂、③-9-3圆砾、砾砂④-8-4、圆砾④-9-4基本呈带状连续分布，交错沉积，均匀性较好。各地层参数如表1所示。

表1 岩土层力学参数表

勘察期间，本工点各勘察点在勘察深度内均遇见地下水，水温11.5℃，地下水类型为第四系孔隙潜水，稳定水位埋深在13.0～15.2m。

5 施工方法

(1)地铁九号线奥体中心站东侧基坑及换乘厅基坑

奥体中心站主体结构为方形基坑，开挖时充分考虑时空效应，待围护结构封闭，基坑内水位降低至基坑底面以下1m后，以“先中间后四角、对称开挖、不超挖、及时支撑、喷锚迅速”为原则开始后及时架设腰梁及钢支撑并进行喷混封闭。

(2)地铁奥-奥区间下穿车站段

区间开挖采用CD工法，分左右2侧共4块开挖，每侧采用上下台阶法施工，台阶长度为1倍开挖宽度；左右两侧洞室纵向拉开不小于10m以上间距。二衬浇注时，拆撑长度不得大于4m，增设临时支撑。开挖前采用全断面深孔注浆加固，加固掌子面前方16m范围内的地层。区间隧道开挖时，沿纵向每1.5m设置一排千斤顶,每一个千斤顶断面设置一台移动液压泵站。初支贯通后，立即施做二衬。千斤顶锁死，保证千斤顶在二衬达到强度前始终发挥作用。区间下穿车站段施工工序如图2～图6所示。

6 模拟及分析

6.1 计算模型

采用Midas GTS软件建立地层结构模型，对基坑开挖及区间下穿既有地铁车站施工过程进行模拟，建立1∶1有限元模型，模型尺寸为89m×86m×35m。模型中各地层及结构材料参数按地勘提供资料选取。

6.2 计算假定

(1)采用弹塑性计算模型；

(2)采用均一地层，岩土体的变形是各向同性的；

(3)初始地应力的计算只考虑初始自重应力，未考虑构造应力；

(4)隧道开挖后土体应力瞬间释放；

(5)隧道的受力和变形是平面应变问题。

6.3 模拟说明

模型尺寸为89m×86m×35m，包含二号线奥体中心站主体结构6～16轴部分、1号出入口、变电所、奥-奥区间、九号线奥体中心站东侧基坑及附属结构基坑。各岩土层均采用弹塑性模型，三维实体单元，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则；区间初期支护及基坑围护桩采用弹性模型，实体单元；区间二衬、九号线奥体中心站及换乘厅结构、二号线奥体中心站及附属结构、临时支撑等采用弹性模型，板单元；梁、柱等结构采用弹性模型，线单元。模型侧面边界水平位移受到约束，底面边界竖向位移受到约束。模型共计89046个单元。

7 计算结果分析

(1)施工过程车站沉降

二号线奥体中心站随施工各阶段沉降情况如表2所示。

表2 各阶段沉降量统计表

二号线奥体中心车站最大沉降量为2.43mm。

(2)结构变形分析

三维计算模型中根据计算需要建立二号线奥体中心站的部分区域。模型中建立的区域如图13所示。

区间下穿车站段下穿11～14轴的立柱。选取第11、13轴立柱绘制沉降时程曲线如图14、图15。

随着区间隧道施工，各轴立柱逐渐产生沉降，第11轴、第13轴各阶段沉降量如表2。

区间下穿车站开挖及初期支护的施工对各轴立柱产生的影响最为显著，该阶段沉降量均超过总沉降量的50%；拆除临时支撑及施作二衬阶段也会导致各轴立柱产生沉降，该阶段沉降量均超过总沉降量的20%；车站东侧基坑及换乘厅基坑施工阶段对各轴立柱影响相对较小。

表2 各阶段沉降量统计表(单位：mm)

二号线奥体中心站纵向C轴最终沉降情况如图16所示。

二号线奥体中心站沉降量相对较大的区域主要集中在区间下穿车站区域(即10～15轴区域)，区间下穿车站施工对二号线奥体中心站影响明显。

8 结语

(1)二号线奥体中心站结构最大沉降为2.43mm，结构受奥-奥区间施工影响明显，东侧基坑及换乘厅基坑施工对二号线奥体中心站结构沉降影响相对较小。主体结构最终水平位移在-0.4～0.1mm之间，结构水平位移相对较小。

(2)区间下穿车站开挖及初期支护的施工对各轴立柱产生的影响最为显著，该阶段沉降量均超过总沉降量的50%；拆除临时支撑及施作二衬阶段也会导致各轴立柱产生沉降，该阶段沉降量均超过总沉降量的20%，二号线奥体中心站沉降量相对较大的区域主要集中在区间下穿车站区域(即10～15轴区域)，此阶段为工程重点控制阶段。

(3)目前沈阳地铁九号线奥体中心站及奥-奥区间已顺利完成施工并正常运营，施工期间沈阳地铁二号线奥体中心站正常运营。对下穿既有车站施工的区间采用分块施工，及时顶撑的方式能够有效控制既有车站沉降。