十字斜交换乘车站基坑优化方案对比

2023-01-31仲志武

建筑科学与工程学报 2023年1期

仲志武

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

0 引言

随着城市地铁路网的快速发展和加密建设，地铁线路上下交错的情况不断增多，换乘节点也越来越多。例如正在建设的天津地铁7号线，共有地铁站21个，设置11处换乘车站，换乘车站数量达到了车站总数的一半以上。中国以往的地铁建设对换乘车站的建设重视不够，影响了城市交通综合效益的发挥。随着城市轨道交通规划越来越合理，越来越超前，地铁换乘车站也越来越多。地铁换乘车站施工往往要根据远期规划为其他线路预留接口，由于线路地面环境和地形不同，纵向不断加深，相交角度越来越多样化，基坑形状越来越复杂，施工难度也越来越大。此外，换乘车站基坑自身变形及渗漏等风险较高，对周边环境的潜在影响也较大。

地铁换乘车站基坑常用的施工方法有明挖顺筑法、暗挖逆作法、复合盖挖法等[1-6]。换乘车站的施工问题有不少学者从不同角度展开了研究。雷蒙[7]以成都地铁骡马市站换乘节点的施工为例，研究了开挖对既有结构变形、应力、沉降的影响。王怀东等[8]以南京地铁上海路换乘车站为例，研究了采用无覆土下穿运营地铁站技术的风险管控措施。高太平等[9]以北京地铁19号线新宫站基坑工程为例，分析了狭长基坑开挖施工过程中的阳角效应。张光建等[10]以杭州地铁1号线滨江站为背景，研究了基坑开挖过程中支撑轴力的变化规律。孙九春[11]对换乘节点处“坑中坑”的施工问题，从土压力平衡角度总结了两种常用的施工方案。赵广民等[12]基于天津地铁3号线和6号线换乘车站北站工程实例，提出了新建车站施工期间的风险应对措施。Wang等[13]以济南地铁烈士陵园站深基坑工程为例，通过现场监测研究了深基坑开挖支护变形规律。

对换乘车站的力学研究，常用的方法有现场监测和数值模拟。胡安峰等[14]采用有限元软件ABAQUS模拟节点基坑的施工过程，对计算值与实测数据进行了比较。Liao等[15]通过数值分析方法优化上海地铁换乘节点的施工方案，将既有车站的变形控制在10 mm以内。Wang等[16]对济南市某地铁车站基坑开挖过程中监测到的深层水平位移、支护轴力和桩身表面沉降等数据进行了分析。Xu等[17]根据郑州地铁换乘车站紫荆山站基坑开挖及主站结构施工的监测数据，分析了深基坑开挖对环境的影响。Liu等[18]采用FLAC3D数值模拟软件，研究了地铁车站深基坑开挖变形特征。Zhang等[19]采用FLAC3D数值模拟软件研究了武汉地铁积玉桥站深基坑支护系统的变形特性。Bai等[20]采用MIDAS GTS软件对天津地铁2号线青年路站开挖后不同施工步骤模拟预测基坑变形。

从前述研究来看，已有换乘车站的研究内容主要集中在新建地铁车站对既有地铁车站的影响问题上，而对换乘节点各车站同期建设的研究较少。此外，对复杂异形斜交换乘车站在施工工期、造价、施工风险、对环境影响控制等方面的设计及施工方案优化的研究较少。天津地铁6号线与8号线的换乘车站渌水道站的基坑平面为复杂的十字斜交形式，基坑深度较大，最深处达到近27 m。另外，围护结构形式复杂，存在较多薄弱点，易发生渗漏风险，且支护体系变形及受力复杂。

本文以天津地铁6号线与8号线的换乘车站为依托，针对实际施工条件的限制，在原有设计方案的基础上提出了三种优化方案，并对这几种方案的施工难度、基坑受力变形特征、工期等方面进行全面对比分析，确定了最优方案。本文研究内容可以为复杂斜交换乘车站的方案优选提供参考，推动中国城市轨道交通建设快速健康发展。

1 工程概况

1.1 工程地质及水文地质条件

天津地铁6号线与8号线的换乘车站渌水道站位于天津市河西区渌水道与微山路交口处，场地土质条件软弱，基坑变形较难控制，且地层中存在较为深厚的粉土粉砂承压含水层，基坑发生渗漏的风险较高。根据勘察资料，该车站岩性主要为粉质黏土、淤泥质土、粉砂、砂质粉土等。潜水含水层主要赋存于人工填土层、第Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层的黏性土及粉土中，含水层水平、垂直向渗透性差异较大，当局部地段夹有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。上部潜水、地下水埋藏较浅，勘测期间本段地下水静止水位埋深0.44～5.30 m(高程-2.85～1.89 m)。第一承压含水层主要赋存于⑧2、⑨2、⑩2砂质粉土、粉细砂层中。第二承压含水层主要赋存于2、4砂质粉土、粉砂层中，其间夹有多层黏性土相对隔水层。承压水的渗透补给与潜水水力联系紧密，排泄以相对含水层中的径流形式为主，同时以渗透方式补给深层地下水。第一承压含水层水头大沽标高为-1.54 m。第二承压含水层水头大沽标高为-1.82 m。

1.2 工程简介

换乘车站平面为复杂的十字斜交形式，如图1所示。6号线车站为地下三层岛式车站，双柱三跨矩形框架结构，车站长度246.825 m，标准段宽23.3 m，端头井宽27.55 m，标准段基坑深24.12 m，端头井基坑深26.128 m；顶板覆土厚3.56 m，车站纵向由小里程至大里程方向为坡度0.2%的下坡。8号线渌水道站为地下两层车站，双柱三跨矩形框架结构，车站全长316.0 m(含换乘节点)；标准段宽23.1 m，端头井宽27.95 m，标准段基坑深17.47 m，端头井基坑深19.375 m，顶板覆土厚3.56 m，车站线路纵向由小里程至大里程方向为坡度0.2%的下坡。6号线与8号线车站的纵向剖面位置关系如图2所示。

1.3 周边环境

6号线渌水道站沿渌水道布置，8号线渌水道站沿微山路布置，周边环境复杂，主要相邻的建筑物有惠众家园小区、社会实践教育中心、泓春园小区、泓沪园小区，如图3所示。8号线渌水道站东北侧为110 kV高压电塔车站。此外，车站范围内，存在较多地下管线，管线切改工作较为复杂。

2 工程方案

2.1 原有工程方案

初步设计中，基坑分期如图1所示，其中6号线渌水道站为一个独立基坑(负三层)，8号线渌水道站为两个独立基坑(负二层)。施工步序为6号线基坑围护结构封闭后，先进行基坑开挖施工，以换乘节点为界，分三个工作面开挖。6号线基坑开挖的同时，8号线基坑从两侧端头井向中间开挖，换乘节点两侧预留土方抵抗换乘节点支撑受力，待换乘节点处主体结构封顶达到设计强度后才能将预留土方挖除。

原工程方案的施工进度安排如下：从2019-05-05开始一期基坑(6号线)的施工准备工作，至2020-08-30完成一期基坑(6号线)主体结构施工，至2020-09-15完成二期基坑(8号线)主体结构施工，总工期合计499 d。

由于2019年7、8月份无停电日，渌水道站东侧110 kV高架电缆切改预计2019年9月15日才能完成。渌水道站东侧110 kV高架电缆位置如图3所示，受其保护距离的影响，110 kV不完成入地，别的管线切改存在极大安全风险及施工难度，将导致该站整体工期严重滞后，为确保该站整体工期要求，拟对该站施工筹划进行优化。

2.2 优化方案

2.2.1 优化方案一：斜撑方案

(1)在6号线车站13轴增加分隔墙，将6号线车站分成两个独立的封闭基坑，分一、二期进行施工，如图4所示。无需等6号线东侧基坑围护结构封闭就可以进行6号线一期土方开挖。

(2)6、8号线换乘节点增加混凝土水平斜撑，支撑的平面布置如图4所示。此方案可以实现6、8号线同时开挖，无需等换乘节点主体结构完成后再开挖8号线南侧和北侧靠近换乘节点处土方。该方案下文简称为斜撑方案。

2.2.2 优化方案二：暗挖逆作法方案

(1)在6号线车站18轴增加分隔墙，将6号线车站分成两个独立的封闭基坑，分一、二期进行施工。同样，无需等6号线东侧基坑封闭就可以进行6号线一期土方开挖。

(2)6、8号线换乘节点采用暗挖逆作法施工，如图5所示。利用结构板作为支撑，可以实现6、8号线同时开挖，无需等换乘节点主体结构完成即可开挖8号线靠近换乘节点处土方。该方案下文简称逆作法方案。

2.2.3 优化方案三：预留土方方案

(1)在6号线车站13轴设置分仓墙，将6号线分成一、二期两个独立封闭基坑，分两期基坑进行开挖。6号线斜穿8号线，将8号线分成两个独立基坑。本方案共分四个独立封闭基坑，平面布置如图6所示。

(2)6号线车站基坑一期先行施工，二期先开挖换乘节点部位，从换乘节点向两侧开挖。8号线北侧基坑从两端(端头井、换乘节点)向中间开挖，南侧从换乘节点向南端头井开挖，8号线在换乘节点连接两侧预留40 m土方，待6号线换乘节点负一层主体结构顶板完成后，两侧开始对称开挖，换乘节点处6号线地连墙随着开挖，从上往下逐层破除。该方案下文简称预留土方方案。

3 有限元模拟

3.1 有限元模型介绍

采用大型岩土有限元分析软件PLAXIS 3D建立换乘车站三维模型进行计算分析。以6号线轴线方向为X轴，垂直6号线方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立空间直角坐标系。为消除模型边界效应，边界尺寸取3倍～5倍基坑深度，因此X轴方向长度为531 m，Y轴方向为584 m，Z轴方向为81 m。模型计算采用10节点四面体单元，单元数166 872个，节点数288 412个。模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型4个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

计算中土体本构采用HS-Small模型(小应变硬化模型)。土体参数来自工程地质勘查报告和工程经验取值，具体数值见表1。本节以优化方案三(预留土方法)为例对数值模型进行说明，按照前文所述施工工序模拟开挖过程，换乘车站的三维有限元模型如图7所示。本方案的关键环节为在换乘节点两侧预留土方，在数值模拟中，通过将两侧的预留土方设置成阶梯型来简化处理，得到该部分的有限元模型见图8。

表1 模型土体参数Table 1 Soil parameters of model

3.2 计算结果与实测数据比较

根据数值计算及工程经验判断(下文会展开说明)，该基坑采取方案三进行施工。施工过程中对基坑周边的土体位移进行监测。对监测数据初步整理，选择6号线一期基坑的2号、12号测点分析围护结构的水平变形，6号、8号测点分析地表土体沉降，并将计算结果与实测数据进行比较，所得结果如图9、10所示。可以看到，数值模拟与现场实测的结果比较接近。

现场实测得到2号、12号测点围护结构的水平位移最大值分别为23.18 mm和22.32 mm，埋深分别为-16 m和-17 m，数值模拟得到的最大值分别为23.94 mm和24.18 mm，埋深均为-20.8 m，曲线吻合效果好。实测得到距离基坑边缘10.8 m处6号、8号测点地表土体沉降均达到最大值，分别为13.2 mm和9.5 mm。数值模拟得到的沉降最大值分别为12.62 mm和13.79 mm，发生在距离基坑边缘7.05 m和8.47 mm的位置。由于现场监测点的布置较为分散，地表土体沉降曲线的数据点较少，但是从总体上看，数值模拟与现场实测的结果趋势一致。由此可得，施工前进行数值模拟分析十分必要，并且结果可靠，与该方案的施工结果相差不大。

3.3 不同施工方案的模型比较

本文比较的三种施工方案，即斜撑、逆作法、预留土方方案的差异主要体现在车站斜交位置，因此需要对该部位重点分析，三种方案的局部有限元模型如图11所示。

4 优化方案对比分析

4.1 结构安全分析

6号线与8号线车站基坑地连墙的连接位置存在4处基坑阳角，地连墙形状不规则，同时6号线与8号线车站基坑深度不同。在换乘节点处变形及受力较为复杂，具体结构受力和变形不确定，因此在4处阳角位置选择8个测点对围护结构的水平变形进行分析，测点位置如图12所示。根据围护结构变形的一般特点，对1号、4号、5号、8号测点围护结构沿y方向的变形进行分析，对2号、3号、6号、7号测点围护结构沿x方向的变形进行分析，计算结果如图13、14所示。

在1号与5号位置采用逆作法方案变形控制效果最佳，围护结构的水平位移最大值小于另外两种方案，斜撑方案与预留土方方案的变形最大值接近。在4号与8号位置预留土方方案使围护结构产生了更大变形，最大值比斜撑方案大0.5～1 mm。在2号、3号与6号位置预留土方方案影响居中，斜撑方案变形最大，逆作法变形最小。在7号位置预留土方方案的变形小于斜撑方案和逆作法，结构安全性最好。由此看来，预留土方方案多数情况可优化斜撑方案的结构受力，能够有效控制围护结构的变形。

从施工过程来看，逆作法和预留土方方案的基坑支护形式相对简单，类似的工程经验丰富，结构安全性能够得到保障。在换乘节点处采用斜撑、对撑以及连系梁的支撑组合，支撑形式复杂。为进一步观察支撑的受力情况，对斜撑方案中的3道斜撑进行内力分析，支撑轴力情况如图15所示。三道斜撑轴力值分布不均，轴力绝对值最大值和最小值分别为4 496 kN和634 kN。轴力分布不平衡，结构安全性差。

4.2 施工技术分析

方案一中支撑形式种类多，支撑结构受力复杂，同时异形地连墙和基坑阳角较多，增加了施工难度和渗漏风险，不再对其进一步讨论。

方案二在换乘节点处采取暗挖逆作法施工，在封闭状态下盖挖土方受层高、中间支柱和降水井的影响，闭锁的空间使大型机械设备难于进场，带来了施工作业上的不便，目前尚缺小巧、灵活及高效的暗挖设备。同时，需要解决水平运输和垂直运输问题，施工效率较低。暗挖逆作法的中柱是永久结构，施工精度要求较高，而且对围护结构和中间柱的沉降控制严格，施工难度较大。

方案三采取明挖法施工，施工工序简单，施工管理方便，施工场地开阔，大型机械和运输工具使用方便，施工进度较快。同时，施工降排水容易，结构防水简单，质量可靠。

4.3 施工工期分析

经统计，方案二6号线一期的施工时间是2019-05-05～2020-01-10，为期250 d；6号线二期及8号线施工时间是2019-10-06～2020-08-18，为期317 d；中间交叉工期不做重复叠加计算，总工期合计为471 d。方案三6号线一期的施工时间是2019-12-28～2020-08-19，为期235 d；6号线二期及8号线北侧、南侧的施工时间是2020-01-10～2021-01-31，为期387 d；总工期合计400 d。

经比较，方案二和方案三的工期均较初始方案减少，达到了工期优化的目的，其中方案三工期更优，比方案二减少60 d左右。

4.4 实际施工效果

如前文所述，现场监测数据表明2号、12号监测点围护结构的水平位移最大值分别为23.18 mm和22.32 mm，此外，实测得到6号线一期基坑围护结构的水平位移最大值为24.36 mm，围护结构变形不超过基坑深度的0.14%。通过采取预留土方方案可有效控制围护变形，且施工进度较快，对周围环境影响较小，可创造良好的经济效益与环境效益。