新建地铁车站施工对既有地铁车站的影响研究

2023-10-24祁小龙

现代城市轨道交通 2023年10期

祁小龙

（中铁十八局集团有限公司，天津 300350）

1 引言

随着地下空间开发范围逐渐扩大，临近既有运营地铁车站开发新站的情况屡见不鲜。曾远等[1]采用ANSYS有限元软件，模拟上海张杨路地铁车站基坑开挖对在运营车站的变形影响，建立车站侧向变形最大值与源头变形及车站间距的估算式。姚燕明等[2]总结深基坑与既有车站共用地下连续墙时，深基坑开挖过程中既有车站结构内力的变化规律。在基坑开挖影响范围方面，Tan等[3]通过广泛的现场仪器测试结合数值模拟，研究邻近苏州地铁1号线车站超大型深层开挖对地铁站的影响。监测数据表明，基坑开挖对车站的影响范围不超过2倍基坑开挖深度。李志高等[4]针对平行换乘车站的研究结果表明，大刚度地铁车站的存在对基坑变形的遮拦作用减小支护结构的变形，并且隔断坑周土层的位移传递路径，使得土体位移场发生变化，促使地下建筑物背向基坑方向倾斜。

另外，基坑施工方式的不同也会对临近的既有建筑产生不同影响。吴航[5]采用PLAXIS 3D有限元软件模拟超深基坑施工，研究分区施工对既有车站的影响，结果表明，基坑的分区施工方式会对其自身及既有车站结构的变形产生较大影响。张俊赟等[6]的研究表明在基坑开挖范围内，地铁结构受到临近基坑开挖的影响，在基坑中部产生的拱起位移较大。周丁恒等[7]在分区施工方案的基础上，将近地铁区域内分区与分层施工顺序进行优化，提出一系列对临近地铁的保护措施。

此外，对于近距离施工新措施方面的研究近年来也有所发展。如刘露超[8]研究新建车站下穿既有线的技术方案，针对合肥市某下穿既有线的暗挖地铁车站工程，比选出工程暗挖段的结构体系选型和施工工法。李积栋等[9]为了控制既有车站底板的沉降提出平顶直墙CRD（交叉中隔墙法）+多重预顶撑的新工法并成功应用。

在新建车站下穿既有运营车站方面，何海健等[10]在分析国内工程案例的基础上，归纳总结现有的穿越技术措施。采用预埋桩基措施进行近距离下穿盾构施工可以有效控制既有车站的变形，满足沉降控制要求。许有俊等[11]在此基础上分析预埋桩基的变形机制、桩基不同设计参数对既有车站变形控制的影响。王旭声等[12]的研究结果表明，盾构下穿施工过程中，既有车站的结构竖向、横向变形逐渐增大，增加幅度逐渐减小，当盾构下穿至结构侧墙位置时，车站结构变形幅度最大。殷一弘[13]等采用现场实测与有限元模拟结合的方法，对临近地铁车站基坑采取分区开挖方式的影响方面进行了分析。

文章依据苏州地铁8号线某新建车站距离既有地铁车站最近处仅12.5 m，施工过程中造成扰动势必会使周围土体产生变形，进而导致临近既有车站产生刚体位移和变形。为确保乘客的安全及既有线路的正常运营，开展新建地铁车站对既有地铁车站开挖影响研究非常必要。

2 工程简介

既有地铁车站与苏州地铁8号线某新建车站深基坑的平面尺寸及相对位置如图1所示，新建车站与既有车站地连墙相距最近处仅12.5 m。

图1 平面布置图（单位：m）

既有车站为地下二层三跨框架结构，底板埋深17.7 m。新建地铁车站为三层三跨框架结构，标准段基坑深度为26.3 m，两侧端头井基坑深度为27.6 m。车站主体采用明挖法施工，中部设置立柱桩兼做抗拔桩，有效桩长35 m。围护结构地连墙厚1 m，埋深 50.8 m。

深基坑标准段竖向设置6道支撑及1道换撑。其中第1、4道为钢混支撑，第1道支撑截面尺寸为800 mm×1 000 mm，第4道截面尺寸为1 000 mm×1 000 mm；第2、3、6道为Φ609 mm钢管支撑，管壁厚16 mm，第5道为Φ800 mm钢管支撑，管壁厚20 mm；换撑采用Φ609 mm钢管支撑，管壁厚16 mm。

端头井竖向设置7道支撑及1道换撑。第1至5道支撑、换撑尺寸与标准段一致，第6、7道钢管支撑尺寸为Φ800 mm，管壁厚20 mm。

根据详勘地层资料，车站场地土地质参数如表1所示。

3 计算理论与计算模型

3.1 计算模型

采用MIDAS GTS/NX有限元软件建立三维模型，计算模型长450 m，宽350 m，深70 m。模拟范围覆盖既有车站及新建车站深基坑，如图2所示。模型侧面和底面设置位移边界，四周设置法向水平位移约束，底部设置X、Y、Z方向的位移约束，顶部为自由表面。选用修正Mohr-Coulomb模型模拟土体本构。参数切线刚度取表1中压缩模量ES，割线刚度卸载弹性模量采用一维梁单元模拟梁、柱、支撑、立柱桩、格构柱、冠梁、联系梁，采用二维板单元模拟地连墙、角撑、车站侧墙及顶中底板，土层采用三维实体单元进行模拟。

图2 模型示意图

3.2 计算模拟过程

模拟施工过程分为开挖阶段和回筑阶段。设置新建车站深基坑分6步开挖，分3步回筑。主要计算步骤为：①施作深基坑地连墙、抗拔桩和格构柱；②基坑开挖第一层土的厚度为3.00 m，施作冠梁及第1道混凝土支撑；③基坑开挖第二层土的厚度为6.35 m，施作第 2道钢管支撑；④基坑开挖第三层土的厚度为2.85 m，施作第3道钢管支撑；⑤基坑开挖第四层土的厚度为5.5 m，施作腰梁及第4道混凝土支撑；⑥基坑开挖第五层土的厚度为3.5 m，施作第5道钢管支撑；⑦基坑开挖第六层土的厚度为7.0 m，施作第6道钢管支撑；⑧ 拆除第5、6道支撑，回筑车站负三层结构；⑨拆除第3、4道支撑及腰梁，回筑车站负二层结构；⑩拆除第1、2道支撑，拆除冠梁和格构柱，回筑车站负一层结构。

4 计算结果分析

4.1 深基坑施工周围地表位移分析

深基坑开挖第六层（步骤⑦）和回筑车站负一层（步骤⑩）时周围地表的位移云图如图3所示，图中标注了地表最大沉降值、最大隆起值及二者的相应位置。

图3 地表位移云图（单位：mm）

结果表明，随着基坑开挖深度增加，地表沉降范围逐渐扩大。开挖一、二层土，最大沉降出现在基坑边缘处，随基坑开挖推进，最大沉降处逐渐远离基坑。开挖阶段基坑周围地表沉降情况如图4所示。回筑阶段地表沉降值呈缓慢增加趋势。模拟结果显示，施工过程最大沉降出现在距离基坑16.3 m的位置，最大沉降量为19.533 mm。经分析可知，开挖第一层至开挖第四层，施工对周围土体的扰动以沉降范围扩大为主，表现为最大沉降处逐渐外移。开挖第一层到开挖第二层最大沉降处外移3.3 m；开挖第二层到开挖第三层最大沉降处外移3.3 m；开挖第三层到开挖第四层最大沉降处外移6.5 m。随后各施工阶段对周围土体的扰动以沉降量增加为主。开挖第四层到开挖第五层地表沉降从13.809 mm增大到14.246 mm，增大0.437 mm；开挖第五层到开挖第六层地表沉降从14.246 mm增大到16.713 mm，增大2.467 mm；开挖第六层到覆土地表沉降从16.713 mm增大到19.533 mm，增大2.82 mm。

图4 开挖阶段地表沉降规律图

4.2 数值模拟与现场测试分析对比

新建车站深基坑周围部分地表沉降观测点的平面布置如图5所示。随着施工推进DB8-3观测点沉降量累计曲线如图6所示。施工荷载持续扰动土体使得DB8-3测点处地表沉降值呈现波动下降趋势，后期沉降值稳定于19 mm左右，这与计算值19.305 mm吻合程度较好。选择地面沉降观测点DB8-2、DB8-3、DB8-4、DB10-2、DB10-3、DB10-4、DB16-2、DB16-3、DB16-4，进行施工完成后计算值与现场实测值分析比较，如图7所示。模拟计算与现场实测结果对比显示，66.7%的测点处地表沉降计算与实测差值在20%以内。针对工程采用的施工方法，数值模拟可以用于研究近接既有站深基坑开挖土体受力变形特征并进行施工优化分析。

图5 基坑监测平面布置图

图6 测点DB8-3地表沉降变化图

图7 地表位移计算值与实测值对比图

4.3 深基坑施工对既有车站侧墙受力影响分析

深基坑开挖第六层（步骤⑦）和回筑车站负一层（步骤⑩）时既有车站侧墙x方向应力的分布如图8所示。侧墙应力集中于靠近新建车站一端，此处选择近端的一个截面具体分析其受力情况，截面位置见图8。侧墙采用的材料为C35混凝土，其轴心抗压强度标准值为23.4 N/mm2，轴心抗拉强度标准值为2.20 N/mm2。由图 8可知，既有车站负一层侧墙应力以压应力为主，最大压应力为1 778.821 kPa，远低于C35混凝土抗压强度标准值，最大压应力出现在侧墙与顶板衔接处；既有车站负二层以拉应力为主，最大拉应力为2 092.053 kPa，满足混凝土轴心抗压强度要求，侧墙最大拉应力出现在负二层中部高度处。结果表明，在车站深基坑开挖回筑过程中，既有车站侧墙满足强度设计要求，但负二层侧墙拉应力处于较高水平，应在施工时加强监测并注意控制施工荷载对车站侧墙的扰动。

图8 既有车站侧墙应力云图（单位：kN/m2）

4.4 深基坑施工对既有车站侧墙位移影响分析

深基坑开挖第六层（步骤⑦）和回筑车站负一层（步骤⑩）时既有车站侧墙沿y方向的位移如图9所示。与平行车站位移规律[4]不同，文章所述的车站布置方式引起的土体位移场变化会促使既有车站靠向基坑方向倾斜。既有车站侧墙与顶板连接处侧移值最大，此处侧移值随深基坑开挖深度增加而减小，最大侧移值出现在开挖第一层土时，最大侧移量为1.764 mm，在开挖过程中侧移量逐步减小为1.587 mm。回筑过程中，图9既有车站侧墙截面不同深度处的侧移量如图10所示。回筑过程最大侧移量从1.677 mm逐渐增大为1.719 mm。既有车站侧墙最小侧移量位于侧墙与底板连接处，深基坑开挖回筑过程中此处侧移值从0.067 mm逐步增大为 0.121 mm。

图9 既有车站侧墙位移云图（单位：m）

图10 回筑阶段既有车站侧墙侧移图

4.5 深基坑施工对既有车站顶板位移影响分析

深基坑开挖第一层（步骤②）及回筑车站负一层（步骤⑩）时既有车站顶板竖向位移如图11所示。基坑开挖回筑各步骤既有车站顶板位移变化如图12所示。距基坑较远一端既有车站顶板稍有隆起，最大隆起值为0.037 mm。靠近基坑一端既有车站顶板位移表现为沉降，最大沉降值出现在深基坑第一层土开挖完成后，并且随基坑开挖深度增加，既有车站顶板逐渐抬升，表现为沉降值减小。如图12所示第一层土开挖车站顶板沉降值为3.161 mm，第六层土开挖完成沉降值减小为1.712 mm，减小45.8%。基坑回筑阶段，既有车站顶板略有沉降，沉降量由1.863 mm增大为1.906 mm。