非对称连续施工对已运营车站的变形影响分析

李 志 军

( 广州地铁设计研究院股份有限公司， 广东 广州 510000)

近年来我国城市轨道交通建设得到了快速发展，轨道交通网格逐步形成，地铁枢纽车站日益增多，已运营车站旁边基坑开挖、结构改建等技术难题逐渐增多。

在临近既有车站及区间进行基坑开挖，会导致既有结构产生变形，地铁结构可能会因变形过大而产生渗漏水、区间结构错位等问题[1-3]。随着基坑开挖逐渐加大，临近的地铁及区间变形越来越明显，且结构变形以竖向位移为主，基坑开挖至基底后，竖向位移达到峰值[4-6]。基坑开挖产生了明显的地层损失，隧道在非对称卸载作用下会产生上浮和偏移，随着基坑的开挖，隧道产生的变形越来越大，离基坑较远的隧道，受扰动作用逐渐减小[7-8]。张玉伟等[9]通过研究在浅埋下卧地铁隧道附近进行非对称开挖基坑，提出了在隧道旁边进行非对称基坑开挖土体卸载，会造成隧道结构偏移和整体上浮，越靠近基坑的中心，影响越是明显。垂直地铁轴线方向的竖向沉降及变形是两侧基坑开挖对车站结构的主要影响。和非对称开挖相比，车站两侧基坑对称开挖对车站的影响相对较小[10-11]。信磊磊等[12]采用有限元分析方法进行数值计算，并考虑了土体小应变硬化的特性，分析提出对称开挖能有效地减小隧道和车站结构的水平位移，当现场条件限制，必须采用非对称开挖时，先施工较小的基坑对车站和隧道的影响较小。深大基坑紧邻既有的地铁车站进行施工，通过分层分段均匀对称施工，可有效控制基坑开挖对临近地铁车站结构的影响[13-15]。

基坑开挖对临近地铁车站的影响已做了较多的研究，基坑内基坑开挖深度、基坑距车站距离、建构筑物荷载均会对已运营车站产生一定的变形影响。基坑开挖越深，基坑距离车站越近，建构筑物荷载越大，则对车站的变形影响越大。已运营车站两侧明挖基坑施工时，同步施工对车站的影响较小。本文通过对已运营车站一侧明挖、一侧暗挖进行研究，分析非对称连续施工对已运营车站的变形影响。

本文依托某已运营车站，车站东南象限拟施工暗挖通道，西北象限拟施工明挖2号风亭。按先施工暗挖通道后施工明挖风亭进行数值模拟计算，考虑叠加影响，分析已运营车站的位移变化，从而得出非对称施工对已运营车站的变形影响，并对已运营车站两侧非对称连续施工提出相关建议，为后期其它已运营车站两侧非对称施工提供参考依据。

1 依托工程概况

某换乘车站如图1所示，南北向车站部分已运营，东西向车站主体施工完成(未运营)。已运营车站为地下两层双柱三跨岛式车站，标准段外包总宽23.1 m，基坑埋深约17.1 m，地下水位位于地面下约18.0 m。换乘节点处车站为地下三层，埋深约24.9 m，暗挖通道与结构负三层结构相接。

图1 已运营车站平面布置图

车站东南象限拟建暗挖通道长度为15.0 m，暗挖最大断面高度约10.7 m，暗挖通道埋深约25.6 m。初支采用超前小导管+大管棚，CRD法施工。暗挖主要穿越土层为3-21粉质黏土。暗挖超前支护采用Φ108，t=8自进式大管棚，L=18 m，Φ42超前注浆小导管，L=3.0 m，环向间距均为400，纵向间距1.5 m，管棚与小导管交叉布置。初衬C25早强网喷混凝土，厚35 mm，全断面支护，格栅钢架间距0.50 m。二衬采用C35防水钢筋混凝土，抗渗等级P10，厚600 mm。暗挖通道与已运营车站剖面位置关系图如图2所示。

图2 暗挖通道与已运营车站剖面位置关系图

车站西北象限拟建2号风亭平面尺寸约为48.00 m×25.95 m，为地下两层结构，西北象限凸出新风道处为地下一层结构。两层段基坑深约18.22 m。基坑支护方式采用Φ1000@1400的钻孔灌注桩+Φ609(厚度16 mm)钢管撑，围护桩入土深度7 m，竖向采用3道钢管支撑。新风道部分(地下一层段)基坑深约10.5 m，采用Φ800@1300的钻孔灌注桩，竖向设2道支撑，桩间采用挂钢筋网喷射混凝土挡土。自上而下主要开挖地层为1-1杂填土、3-32黏质粉土、3-33黏质粉土。2号风亭与已运营车站剖面位置关系图如图3所示。各土层的物理力学指标详见表1。

图3 2号风亭与已运营车站剖面位置关系图

表1 各土层的物理力学指标

根据现场条件，施工顺序为先进行暗挖通道施工，后进行明挖2号风亭施工。

考虑叠加施工对已运营车站影响，分析已运营车站的位移变化。

对已运营车站分别取2个不同位置处横断面，按不同施工步序提取车站轨道下底板水平位移及竖向位移，并考虑连续施工的影响，分析两侧非对称连续施工对已运营车站产生的影响。

2 模型计算

2.1 模型的建立

采用MIDAS/NX进行建立三维计算模型，采用地层结构法进行实际施工工况的开挖模拟，分析已运营车站东南象限暗挖通道和西北象限2号风亭连续施工对已运营车站的变形影响。

考虑模型简化及分析对象特征，根据圣维南原理，模型纵向长度取152.6 m，横向长度取126.7 m，竖向高度取40 m。有限元模型如图4—图6所示。模型的侧面为水平约束，底面为竖向约束，上边界为自由地表。模型中，有限元数值计算中土体采用“修正莫尔-库仑”弹塑性模型，车站围护桩、地连墙、结构板墙、初衬、二衬、初支中隔墙采用板单元，支撑、格构柱、梁柱采用梁单元，土体采用实体单元。

图4 有限元计算整体模型图

图5 暗挖通道和2号风亭施工与已运营车站位置关系图

图6 2号风亭围护支撑结构轴测图

模型模拟施工步主要如下：(1) 左线暗挖通道施工，采用CRD工法施工，按左上、左下、右上、右下顺序开挖，台阶长度6 m，左右两个掌子面间距12 m；(2) 右线暗挖通道施工，采用CRD工法施工，按左上、左下、右上、右下顺序开挖，台阶长度6 m，左右两个掌子面间距12 m；(3) 拆除中隔壁并施工二衬；(4) 2号风亭2层段围护桩施工，分步进行基坑开挖及第一、二、三道支撑架设，开挖至基底，分步回筑主体结构并拆除支撑，顶板以上土体回填；(5) 2号风亭1层段围护桩施工，分步进行基坑开挖及第一、二道支撑架设，开挖至基底，分步回筑主体结构并拆除支撑，顶板以上土体回填。

2.2 计算结果与分析

结合已运营车站东南象限暗挖通道及西北象限明挖2号风亭分布情况，取已运营车站的两个代表性的截面提取计算结果，分析东南象限暗挖通道施工及西北象限明挖2号风亭施工对已运营车站断面的变形影响。分别提取已运营车站临近2号风亭断面(断面1)和临近暗挖通道断面(断面2)，如图5中剖线所示。按不同施工步序提取车站两个断面轨道下底板水平位移及竖向位移，并考虑连续施工的影响，分析两侧非对称连续施工对已运营车站产生的影响。

断面图中左侧墙为已运营车站东侧墙(临近明挖2号风亭)，右侧墙为已运营车站西侧墙(临近暗挖通道)。

2.2.1 断面1计算结果

暗挖通道施工完成及2号风亭施工完成时断面1结构变形见图7和图8。断面1各施工阶段底板竖向位移和水平位移见图9和图10。

图7 暗挖通道施工完成时断面1结构变形

图8 2号风亭施工完成时断面1结构变形

图9 断面1各施工阶段底板沉降

图10 断面1各施工阶段底板水平位移

断面1计算结果表明：(1) 暗挖通道施工完成后，断面1底板结构最大沉降为1.06 mm，最大水平位移0.13 mm，结构侧墙最大水平位移0.27 mm，断面1竖向沉降约为水平位移的4倍，表明在已运营车站侧下方进行土体开挖，对车站的影响以竖向位移为主；(2) 暗挖通道施工时，已运营车站断面1向东南象限倾斜，东南象限底板结构沉降约为西北象限(远离暗挖通道)的10倍；(3) 2号风亭施工完成后，断面1底板结构最大沉降为1.08 mm，最大水平位移0.29 mm，侧墙最大水平位移2.07 mm，约为最大沉降的2倍，表明在已运营车站一侧进行基坑开挖，对车站的影响以水平位移为主；(4) 2号风亭施工主要对临近的断面1左侧底板沉降变化比较明显，而右端底板沉降变化较小，离基坑越远，结构沉降越小；(5) 2号风亭施工至基坑底时，断面1底板结构的竖向位移和水平位移均达到最大值，2号风亭的基坑开挖范围和开挖工程量达到最大，其施工对已运营车站产生的时空效应影响最大；(6) 2号风亭施工完成后，断面结构的不均匀沉降明显减小。

2.2.2 断面2计算结果

暗挖通道施工完成及2号风亭施工完成时断面2结构变形见图11和图12。断面2各施工阶段底板竖向位移和水平位移见图13和图14。

图11 暗挖通道施工完成时断面2结构变形

图12 2号风亭施工完成时断面2结构变形

图13 断面2各施工阶段底板沉降

图14 断面2各施工阶段底板水平位移

断面2计算结果表明：(1) 暗挖通道施工完成后，断面2底板结构最大沉降为1.10 mm，最大水平位移0.05 mm，侧墙最大水平位移为0.16 mm，断面2竖向沉降约为水平位移的6倍，表明在已运营车站侧下方进行土体开挖，对车站的影响以竖向位移为主；(2) 暗挖通道施工时，底板右侧结构沉降明显大于左侧，约为左侧的12倍，结构沉降呈抛物线形，主要沉降分布在临近暗挖通道半幅断面；(3) 2号风亭施工完成后，断面2结构最大沉降为1.20 mm，最大水平位移0.19 mm，侧墙最大水平位移为0.3 mm，断面2竖向沉降约为水平位移的4倍，表明离2号风亭较远的已运营车站结构断面，因受土体卸载影响较小，断面变形以竖向位移为主；(4) 2号风亭施工完成后，断面结构的不均匀沉降明显减小；2号风亭施工未在断面2左侧墙处卸载土体，对侧墙的水平变形影响相对较小；(5) 2号风亭施工至基坑底时，断面1底板结构的水平位移和竖向位移均达到最大值。

2.2.3 断面1、断面2不均匀沉降

断面1和断面2各施工阶段下的不均匀沉降见表2。

表2 断面1、2各施工阶段下的不均匀沉降表

断面1和断面2各施工阶段下的不均均沉降对比，如图15所示。

图15 断面1、断面2各施工阶段下的不均匀沉降图

由图15可得：(1) 已运营车站一侧进行暗挖通道施工、另一侧2号风亭明挖基坑施工，明挖风亭开挖对已运营车站的变形影响明显大于暗挖区间，在距已运营车站距离一致时，开挖体积越大，已运营车站变形影响越大，当2号风亭开挖至基底时，已运营车站的不均匀沉降达到最大；(2) 在2号风亭2层段基坑开挖至基底时，已运营车站底板两个断面的不均匀沉降差达到最大，已运营车站沉降受2号风亭基坑开挖引起的侧墙土体卸载影响较大，断面1的底板不均匀沉降最大值约为断面2的7倍；(3) 暗挖通道二衬施工完成时，已运营车站的不均匀沉降约增大了10倍，表明拆除中隔壁对已运营车站的不均匀沉降影响较大；(4) 2号风亭施工完成后，断面结构的不均匀沉降明显减小。已运营车站两侧非对称施工引起的不均匀沉降，比单侧施工引起的不均匀沉降更小。

3 结论与建议

本文以某车站两侧暗挖通道和2号风亭非对称施工为研究背景，通过采用数值模拟方法，研究和分析非对称连续施工对已运营车站的变形影响，主要得出以下主要结论：

(1) 暗挖通道引起已运营车站的变形主要以竖向变形为主，结构沉降呈抛物线形，主要沉降分布在临近暗挖通道的半幅车站结构断面。

(2) 暗挖区间拆除中隔壁对已运营车站的不均匀沉降影响较大。实际工程中，需研究对中隔壁分步拆除、隔一拆一等方法，以减小对已运营车站的沉降影响。

(3) 已运营车站两侧非对称施工引起的不均匀沉降，比单侧施工引起的不均匀沉降更小。

(4) 在距已运营车站距离一致时，开挖体积越大，已运营车站变形影响越大。

(5) 在已运营车站一侧进行基坑开挖，当基坑开挖深度和运营车站深度较为接近时，基坑临近已运营车站的断面受土体卸载影响较大，变形主要以水平位移为主，基坑临近断面处水平位移约为竖向位移的2倍。离明挖基坑较远的已运营车站结构断面，因受土体卸载影响较小，断面变形以竖向位移为主。