地鐵樞紐后建車站施工對既有地鐵的影響分析

蔣清國

隨著城市軌道交通樞紐的快速建設,新建地鐵車站常臨近、緊鄰或緊貼既有運營地鐵車站。新線車站施工可能引起既有地鐵車站產生位移和變形,對既有車站的結構安全及正常運營造成影響。

近年來,一些學者對臨近、緊鄰或緊貼既有地鐵車站的施工影響問題進行了研究[1-4],取得了一些有益的成果。但到目前為止,還沒有一套成熟的理論對該類問題進行準確的預測。本文擬結合北京某地鐵工程實例,采用三維數值分析程序對典型的施工步驟進行全面的仿真模擬,通過計算、分析、比較,研究地鐵換乘樞紐后建車站施工對既有運營地鐵車站結構及軌道變形的影響,為工程設計與施工提供參考。

1 工程概況

北京地鐵宋家莊站為既有5號線、10號線二期、亦莊線三線換乘車站,該站是北京現階段最大的地鐵樞紐站。5號線車站現已投入運營,與新建10號線二期車站平行換乘,與新建亦莊線車站T形換乘,三站主體均為地下2層現澆鋼筋混凝土箱形框架結構,車站基坑深度約為15.7m,三站圍護結構除10號線二期車站局部采用鉆孔灌注樁+3道鋼管內支撐體系外,其他均采用鉆孔灌注樁+3道預應力錨索體系。三站建成后將形成相互連通的大型換乘體系。

2 數值計算及分析

2.1 數值計算模型

結合本工程的實際情況,計算模型上邊界取到地表,豎向共取40m,寬度取166m,縱向考慮車站長度和邊界效應取332m,建立的有限元計算模型如圖1所示。

地表取為自由邊界,其他5個面均采用滾軸約束。模型中采用實體單元模擬地層,板單元模擬圍護樁、車站底板、中板、頂板與車站邊墻,植入式桁架單元模擬預應力錨索,梁單元模擬車站柱子與橫撐。計算中采用不同的本構模擬不同的材料,對于圍護樁、車站底板、中板、頂板與車站邊墻、預應力錨索、車站柱子與橫撐等應用線彈性本構,而各層土體采用莫爾—庫侖(M-C)本構。地面超載按20kPa考慮。

數值分析中按施工實際逐步模擬基坑開挖、安裝與拆除錨索(架支撐)、主體結構施作、覆土回填以及臨時隔墻的破除等施工過程,基坑開挖及車站主體施工考慮分段實施、流水作業,模型僅分析10號線二期先于亦莊線實施工況。為了對后建車站施工過程中既有地鐵結構的變形有較全面的了解,計算中沿既有5號線車站縱向選取15個橫斷面,每個橫斷面上選取6個計算點,見圖2,同時,為研究地鐵軌道的變形,沿左、右線軌道方向分別取51個計算點。

2.2 計算結果及分析

圖3,圖4分別給出了既有5號線結構受10號線二期及亦莊線車站施工影響后的豎向及水平位移的變形云圖。圖3表明,受基坑開挖、土體回彈的影響,臨近新線基坑開挖部位的結構底、中、頂板豎向變形較大,而遠離基坑開挖的結構豎向變形較小;圖4則顯示,受基坑開挖、單側卸載的影響,既有5號線車站結構在只有單側基坑開挖的區段水平位移較大,而在兩側都有基坑開挖卸載的區段既有結構的最終水平位移很小。

通過將模型中各斷面計算點在不同施工步驟下的豎向位移及水平位移整理成曲線進行分析、比較,可以得到兩種最具代表性的工況,即工況一:只有10號線二期側進行基坑開挖及結構施作;工況二:既有5號線兩側均進行基坑開挖及結構施作。

工況一中,緊鄰10號線二期基坑開挖側的4,5,6點結構豎向變形較大,最大達到了約7 mm,而遠離基坑開挖側的1,2,3點對應的結構底板豎向變形相對較小,約0.5 mm。施工過程中,由于基坑開挖取土卸載,坑底土體回彈,引起鄰近既有5號線結構上抬,豎向位移逐漸增加,但隨著結構底、中、頂板的施作以及覆土的回填,結構及覆土自重使坑底土體重新壓縮,既有5號線結構的豎向位移又逐漸減小,后期其他區段基坑及結構的施工對結構變形影響很小,直至預留臨時隔墻(參與受力)的破除,由于車站結構的平衡被打破,頂板在覆土作用下有向下的變形,而底板在地基反力作用下隆起量有所增加。從既有車站結構的水平變形來看,各點的整體變化趨勢類似,且各點的水平位移增加主要集中在新線基坑開挖過程中,隨著新線結構的施作及覆土的回填,由于新老結構形成同一整體,共同承受兩側的土壓力,既有結構的水平位移逐漸趨于穩定,整體看來,1,2,3,4點的水平位移均較小,而5,6點的水平位移相對較大,其中5點的水平位移最大,為5.8 mm,這說明土壓力引起的結構側墻彎矩最大出現在中板附近,這與結構內力計算結果是吻合的。

工況二中,既有結構的豎向及水平變形規律與工況一基本相似,區別在于亦莊線車站基坑開挖及結構施作對1,2,3點的豎向變形及水平位移影響較大,即在亦莊線車站基坑開挖步序中,1點豎向位移迅速增大,最大達到6.3 mm,由于2,3點距亦莊線基坑較近,豎向位移也較工況一要大,約為1.3 mm,相應4,5,6點的最終豎向位移為7.1 mm;既有結構水平位移量在亦莊線基坑開挖步序中有迅速減小的趨勢,且各點的最終水平位移量均相對較小,最大為1.5 mm。

沿左、右線軌道方向所取計算點的豎向、水平位移曲線表明,右線軌道(臨10號線側)的最大豎向變形約為1.13 mm,軌道的最大隆起位置處在車站的端頭,左、右軌的最大差異沉降約為0.1 mm;左線軌道(臨亦莊線側)的最大豎向變形約為1.5 mm,軌道的最大隆起位置處在5號線兩側均有基坑開挖施工的區域,左、右軌的最大差異沉降約為0.3 mm;左、右線軌道的最終水平位移與車站結構的整體水平位移基本相似,軌道最大水平位移約為3.2 mm,且左、右軌間的最終水平位移差很小。

3 結語

基于Midas-GTS軟件,通過建立模擬新線地鐵施工過程的三維模型,分析了地鐵樞紐后建車站施工對既有運營地鐵車站產生影響的工程實例,得到了如下幾條結論:1)地鐵樞紐后建車站施工對既有運營地鐵車站結構及軌道會造成一定的影響,影響的大小與基坑開挖面距既有車站結構的距離及對稱性有關。2)新線基坑開挖及主體結構施作采用分段推進的施工工序對控制既有結構的變形是有利的。3)及時回筑新線主體結構可減小既有結構的水平位移及豎向變形。4)既有地鐵車站預留與新線的臨時隔墻(參與受力)的拆除對既有結構的變形有影響,施工中應得到重視。5)既有地鐵車站結構在新線車站施工過程中的水平位移以中板區域最大,底板處最小。6)雙側對稱基坑開挖對控制既有結構的變形有利。7)新線地鐵施工對既有地鐵車站軌道的影響與軌道距基坑開挖面的距離成反比,且軌道水平位移的特征與主體結構的變形基本一致。

[1]姚燕明,周順華,孫 巍,等.坑底加固對平行換乘車站基坑變形影響的計算分析[J].地下空間,2004,24(1):7-10.

[2]曾 遠,李志高,王毅斌.基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間與工程學報,2005,8(4):642-645.

[3]姚燕明,孫 巍.深基坑開挖對共用連續墻的既有車站結構內力影響的空間分析[J].巖土工程學報,2006,28(sup):1411-1414.

[4]王 印,高廣運,馮世進,等.深基坑開挖對相鄰地鐵車站影響的位移分析,巖土力學與工程新進展[M].上海:同濟大學出版社,2007:155-159.