新建地铁车站及区间对紧邻既有线影响性分析

2022-08-05赵静

低温建筑技术 2022年6期

赵静

（中铁建（天津）轨道交通投资发展有限公司，天津 300199）

0 引言

随着地铁建设的快速发展，临近既有线的新建地铁项目也越来越多。如果对新建地铁设计或施工不当，将会对既有地铁结构产生影响，严重时会造成既有地铁结构的破坏，引起安全隐患或事故。目前，新建地铁与既有地铁之间的关系可分为新建车站与既有区间、新建区间与既有区间、新建区间与既有车站、新建车站+区间与既有车站+区间4 类。目前对新建车站+区间与既有车站+区间研究。张国亮等［1］采用有限差分计算方法，分析了新建地铁车站基坑与既有车站结构间的相互影响；薛长迁［2］对临近既有车站新建地铁车站基坑施工措施进行了优化分析，总结出新建车站基坑的施工方法；赵国［3］针对新建地铁车站于既有车站小净距的情况，通过分析自身风险和环境风险，制定应对措施，确保既有车站的结构安全；朱峰［4］采用数值分析手段，分析了新建地铁不同区域施工对既有车站产生的影响，确定施工控制点；朱光亚［5］采用有限元方法，分析了新建地铁基坑对既有车站结构变形的影响；万朝栋［6］对新建地铁下穿既有城铁地铁同台换乘站改技术进行了研究。

以临近6号线鞍山西道站的8号线车站和区间为工程背景，建立了临近既有线的车站及区间三维有限元模型，对不同施工步序下既有线位移、应力及承载力变化特征进行了详细分析。所得结论可为类似条件下既有线的保护提供借鉴与参考。

1 工程概况

1.1 新项目概况

天津地铁8 号线鞍山西道站为岛式站台车站，主体结构标准段总宽度为25.7m，有效站台宽度16m，标准段为地下3 层双柱三跨矩形框架结构，底板底埋深约24.01m，车站范围正线线间距19.2m。两端接盾构区间，隧道结构内径5.9m、外径6.6m，车站大、小里程端均为盾构始发。

车站共设两组风亭、4个出入口，以及与地铁6号线车站的换乘通道一个。A号出入口为预留出入口；B号出入口与1号风道结合设置；C号出入口与2号风道结合设置；D号出入口与6号线鞍山西道站结合设置。

1.2 与既有线位置关系

8号线鞍山西道站与已运营的6号线鞍山西道站“T”字换乘，换乘节点在6号线施工时已完成。6号线车站为地下双层岛式车站，并设3 处出入口。新建8号线下穿既有6号线车站主体。8号线31.45m长区间和175.7m长车站施工对6号线存在影响。

2 工程地质条件

根据勘察资料，场地埋深80m 深度范围内，地基土按成因年代可分为以下10层，按力学性质可进一步划分为18个亚层，自上而下分别为：人工填土层（杂填土①1、素填土①2）、全新统上组陆相冲积层（粉质黏土④1、砂质粉土④2）、全新统中组海相沉积层（粉质黏土⑥1、粉质黏土⑥4）、全新统下组沼泽相沉积层、全新统下组陆相冲积层（粉质黏土⑧1、砂质粉土⑧2）、上更新统第五组陆相冲积层（粉质黏土⑨1、砂质粉土⑨2）、上更新统第四组滨海潮汐带沉积层（粉质黏土⑪、粉砂⑪2、粉砂⑪4）、上更新统第二组海相沉积层、上更新统第一组陆相冲积层（粉质黏土⑬1、粉质黏土⑬3）。

3 数值计算分析

3.1 数值模型的建立

计算采用岩土有限元分析软件建立整体三维有限元模型如图1所示。进行计算分析。以南北向为X轴，东西向为Y轴，竖直方向为Z轴建立三维模型计算分析，为消除模型边界效应，X轴方向取400m，Y轴方向取400m，Z 轴方向取61.1m。模型计算采用混合六面体单元，共划分单元346447 个，节点57742 个。新建8号线与既有6号线模型位置关系如图2所示。

图1 三维有限元计算模型

图2 新建8号线与既有6号线模型位置关系

模型边界条件：顶面为自由面，无约束；底面每个方向均约束；4个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

计算假设：认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内；将建筑基坑支护结构的围护桩通过抗弯刚度折减等效成地下连续墙；桩基与土层之间为摩擦接触；采用施工步来模拟整个施工过程，考虑施工过程中空间位移的变化，不考虑时间效应。

3.2 计算参数

土体本构模型采用小应变硬化的本构模型，模型参数取值见表1。承台和桩基采用实体单元模拟；轨道交通结构采用板单元模拟。混凝土结构重度均为25kN/m3，结构计算参数见表2。

表1 土体物理力学参数

表2 模型结构体计算参数

3.3 模拟步骤

车站主体开挖步骤如图4 所示，将计算模拟分为26步，具体模拟情况：初始应力场，施作既有轨道交通结构，位移清零；主体基坑围护结构、立柱桩及地连墙施工；主体基坑第一步土体开挖并架设第一道支撑；主体基坑第二步土体开挖并架设第二道支撑；主体基坑第三步土体开挖并架设第三道支撑；主体基坑第四步土体开挖并架设第四道支撑；主体基坑第五步土体开挖并架设第五道支撑；主体基坑开挖至基坑底并施做车站底板；主体向上回筑侧墙、施做第二层中板；主体向上回筑侧墙、施做第一层中板；主体向上回筑侧墙、施做顶板；主体基坑拆除第一道支撑、回填覆土；2号风亭及B口立柱桩、地连墙施工；2号风亭及B口第一步土体开挖并架设第一道支撑；2 号风亭及B 口第二步土体开挖并架设第二道支撑；2 号风亭及B 口第三土体开挖并架设第三道支撑；2 号风亭及B 口基坑开挖至坑底并施做2号风亭底板；2号风亭施做中板、B 口施做底板；2 号风亭及B 口向上回筑侧墙、施做顶板；2号风亭及B口基坑拆除第一道支撑、回填覆土；D口围护结构施工；D口第一步土体开挖并架设第一道支撑；D口第二步土体开挖并架设第二道支撑；D口基坑开挖至坑底并施做底板；D口向上回筑侧墙并施做顶板；D口基坑拆除第一道支撑、回填覆土；鞍山西道站-南丰路站区间左线盾构施工；鞍山西道站-南丰路站区间右线盾构施工。

3.4 计算结果与分析

将28 个模拟步骤分为4 个大步骤：车站主体施工、2号风亭及B口施工、D口施工和区间施工，文中以4个大步骤进行针对性分析。

3.4.1 位移分析

不同步骤下6号线车站水平位移和竖向位移云图如图3、图4 所示。由图3、图4 可知：4 个大步骤下车站水平位移均整体上呈“正向端负向水平位移，负向端正向水平位移”的分布特征；8 号线车站主体施工时，靠近其一侧的6号线车站竖向位移较大，且发生向上隆起位移；2 号风亭及B 口施工时，附近的6 号线车站向上的隆起位移明显增大；同样的情况也出现在D口、区间施工阶段；6 号线车站竖向位移整体上呈“靠近8号线一侧大，远离8号线一侧小”的分布特征。

图3 地铁完成后6号线车站水平位移云图

图4 地铁完成后6号线车站竖向位移云图

6号线结构随施工步变化曲线如图5所示。由图5 可知：①对于6 号线车站主体，水平位移在8 号线车站回填覆土阶段和2号风亭及B口开挖至坑底阶段出现了2次波动，整体上是以负值形式增大；竖向位移在在2号风亭及B口开挖至坑底前阶段一直处于增大状态，该施工步后竖向位移有一定幅度减小，在D 口第一步土体开挖后再次增大，D口开挖至坑底后竖向位移再次减小，区间施工阶段变化较小；②于6号线B出入口及2 号风道，水平位移和竖向位移在前2 个阶段随施工进展逐渐增大，在后2 个阶段水平位移和竖向位移变化很小；③对于6号线C出入口，水平位移在前2 个阶段随施工进展逐渐增大，在后2 个阶段水平位移和竖向位移有所减小；竖向位移在8 号线2 号风亭及B口第二步土体开挖阶段前变化不大，该施工步以后减小继续保持不变，在D 口第一步土体开挖时增大，在D 口第二步土体开挖后保持稳定；④对于区间隧道，在2 号风亭及B 口第一步土体开挖前水平位移和竖向位移先增大，该施工步以后，水平位移和竖向位移先以负位移减小再以正位移增大，后2 个阶段位移变化不大；⑤6 号线C 出入口水平位移和竖向位移相差不大，6号线车站主体、B出入口及2号风道、区间隧道的竖向位移大于水平位移。

图5 6号线结构位移随不同施工步变化曲线

3.4.2 应力分析

6号线结构最大主应力随不同施工步变化曲线如图6 所示。随着新建地铁的施工，临近既有线的结构应力随不同施工步的影响出现一定的波动。但应力变幅很小。由既有结构底板最大主应力云图可以看出，随着新建地铁下穿段的开挖，最大主应力呈现先增大再减小的趋势，且最大值发生在开挖过程中而非开挖结束后。6号线各部位最大应力均不超过混凝土轴心抗拉强度标准值。

图6 6号线结构最大主应力随不同施工步变化曲线

3.4.3 承载力分析

6号线结构弯矩随不同施工步变化曲线如图7所示。根据6号线施工图纸结构截面尺寸和配筋核实双向受弯承载能力。在8号线施工过程中可能出现的最不利弯矩均未超过极限弯矩，说明6 号线结构承载力仍存在一定安全余量。

图7 6号线结构弯矩随不同施工步变化曲线

4 影响性分析

根据国家地铁保护规范，结合既有6 号线现状检测结果和天津市工程经验，确定6 号线车站及区间隧道的位移控制指标：车站及区间隧道竖向位移15mm，车站及区间隧道水平位移10mm。位移控制统计结果列于表3 中，车站主体结构水平位移和竖向位移最大值分别为-0.94、5.28mm，B 出入口及2 号风亭组的水平位移和竖向位移最大值分别为0.861mm、-1.266，C出入口水平位移和竖向位移最大值分别为-1.062、0.95mm，区间隧道水平位移和竖向位移最大值分别为-0.664、3.3mm。均满足控制标准要求。