軟土地區(qū)超深預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

□文/井博暉 劉建志

近年來我國城市軌道交通發(fā)展迅速，特別是城市地鐵的建設(shè)，有效地緩解了城市交通力。城市地下軌道交通是大量客流的中轉(zhuǎn)、換乘和集散地，是各種運(yùn)輸方式的銜接和聯(lián)運(yùn)的主要基地，對(duì)旅客運(yùn)輸效率有著決定性的影響，在運(yùn)輸全過程中起著重要作用。換乘地鐵車站是地下軌道交通的核心，扮演著重要的角色。城市軌道交通規(guī)劃中，后期施工的地鐵線路與目前在施地鐵線路程十字形或是“T”字形換乘。后期施工的地鐵車站對(duì)先施工的車站有較大影響，尤其是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)隧道開孔及樓板上預(yù)留盾構(gòu)孔洞，應(yīng)該采取什么措施加以解決，目前尚缺乏系統(tǒng)的研究，迫切需要展開此方面課題研究。

1 工程概況

徐莊子站為6號(hào)線中間站，是地下2層島式車站，新增10號(hào)線換乘節(jié)點(diǎn)，換乘節(jié)點(diǎn)面積約130 m2，車站總長228.5 m。車站起點(diǎn)分界里程DK6+431.323；有效站臺(tái)中心里程DK6+572.827；終點(diǎn)分界里程DK6+659.827；標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.7 m；有效站臺(tái)寬度為12.0 m；標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為16.45 m；盾構(gòu)段基坑深度18.1 m。盾構(gòu)井段寬25.3 m(大里程處)、25.74 m(小里程處)；車站頂板覆土約為2.6 m，地面絕對(duì)標(biāo)高為2.8～3.2 m，冠梁頂絕對(duì)標(biāo)高為2.2～2.6 m。

2 地質(zhì)情況

徐莊子站地處的華北平原屬海積、沖積低平原。場地地勢(shì)較平坦，各孔孔口介于大沽高程4.55～3.00 m。車站工程涉及地層主要為人工填土層，全新統(tǒng)上組陸相沖積層、全新統(tǒng)中組海相沉積層、全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層、全新統(tǒng)下組陸相沖積層、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層、上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層、上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層。

項(xiàng)目工程地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

3 模型建立

3.1 單元與構(gòu)件

采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析。

板：建立殼模型，采用殼單元（S4R：線限、有限薄膜應(yīng)變、減縮積分、四邊形殼單元）進(jìn)行模擬，采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法，洞口處局部采用自由網(wǎng)格；將板厚作為截面屬性賦予單元。

墻：建立殼模型，采用殼單元（S4R：線限、有限薄膜應(yīng)變、減縮積分、四邊形殼單元）進(jìn)行模擬，全部采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法；將墻厚作為截面屬性賦予單元。

柱：建立線模型，采用梁單元（B31：兩節(jié)點(diǎn)一階剪切變形梁單元）進(jìn)行模擬，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；將柱截面作為截面屬性賦予單元。

模型采用的是面-面接觸。因?yàn)榈叵逻B續(xù)墻是在土體中挖槽形成的，表面并不光滑，與周圍土體之間存在很大的摩擦力，采用面-面接觸可很好地模擬這種相互作用關(guān)系，支撐和地下連續(xù)墻之間采用tie連接。

根據(jù)施工監(jiān)測結(jié)果，基坑開挖影響深度為開挖深度的2～4倍，影響寬度為開挖深度的3～4倍。土體與墻體采用平面應(yīng)變縮減單元CPE8R，支撐采用梁單元B21，綜合考慮到模型的精確和計(jì)算速度，采用網(wǎng)格尺寸漸變的方法劃分整個(gè)區(qū)域；基坑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近網(wǎng)格較密，最小網(wǎng)格尺寸1 m×1 m，離圍護(hù)墻體越遠(yuǎn)，網(wǎng)格越疏，最大網(wǎng)格尺寸4 m×4 m，見圖1。

圖1 三維有限元模型

3.2 載荷

混凝土材料樓板采用C35、柱材料采用C50，自質(zhì)量取2.5 t/m3，泊松比取0.2，彈性模量按規(guī)范取值。在模擬過程中主要考慮材料在線彈性范圍內(nèi)工作并考慮部分塑性發(fā)展。

4 計(jì)算結(jié)果

由于隧道孔的開挖和臨時(shí)封堵墻的打開，-3層墻體有較大削弱，故墻體是重點(diǎn)分析對(duì)象。在后期預(yù)留節(jié)點(diǎn)地下連續(xù)墻上開口，首先會(huì)造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，正常段側(cè)墻應(yīng)力1.305 MPa，隧道開孔處側(cè)墻應(yīng)力為25.05 MPa，見圖2，大約相差20倍，在隧道開孔處要加密鋼筋的間距。

圖2 隧道側(cè)墻開孔應(yīng)力

如圖3所示，換乘節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為13.05 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在既有地鐵與后施工車站換乘節(jié)點(diǎn)樓板處，樓板最大應(yīng)力為9.994 MPa，在樓梯孔和盾構(gòu)吊裝預(yù)留孔角部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)該設(shè)置暗梁或是框梁，進(jìn)行樓板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

換乘節(jié)點(diǎn)最大變形為10.48mm，最大變形出現(xiàn)在既有地鐵與后施工車站換乘節(jié)點(diǎn)樓板處，樓板最大變形為9.852mm，梁分布基本在各層應(yīng)力與變形較大處，比較合理。墻體中應(yīng)布置一定量的暗柱、扶壁柱進(jìn)行加強(qiáng)，洞口會(huì)削弱樓板，應(yīng)在洞口周邊適當(dāng)加強(qiáng)。

圖3 換乘節(jié)點(diǎn)整體應(yīng)力

5 工程應(yīng)用

天津地鐵6號(hào)線徐莊子站在施工過程中，基坑開挖遵循“隨挖隨撐、限時(shí)支撐、嚴(yán)禁超挖、錯(cuò)挖、中間開槽兩邊放坡”的施工原則，采用倒退臺(tái)階接力法開挖施工?；娱_挖主要采用EX200挖機(jī)開槽、倒土，長臂挖機(jī)、小挖機(jī)、60 t汽車吊配合出土的方式進(jìn)行開挖。

車站明挖主體結(jié)構(gòu)工程所使用混凝土強(qiáng)度等級(jí)：素混凝土墊層C25早強(qiáng)；結(jié)構(gòu)頂板、地下1層底板、地下2層底板、地下3層底板、主梁C35；框架柱、側(cè)墻、壁柱C45。

樓板采用一次澆筑、自然流淌斜面分層的澆筑方式，即泵車從基坑兩邊四個(gè)角開始澆筑，讓混凝土自然流淌形成一定的斜面。施工時(shí)注意保證斜面下一層混凝土與上一層的間隔時(shí)間≯1.5 h，嚴(yán)格控制在混凝土初凝時(shí)間以內(nèi)。混凝土的振搗需從下端開始，逐漸上移?；炷翝仓尚魏笤诔跄坝描F滾筒滾壓、長刮尺控制標(biāo)高及平整度，最后用木抹子收面，以防止產(chǎn)生收縮裂縫。

根據(jù)側(cè)墻尺寸，混凝土澆筑采用全面分層施工方案，即把墻從高度方向分成若干層，對(duì)稱分層澆筑混凝土?；炷练謱訉雍駷?0～50 cm，施工時(shí)注意兩側(cè)高度一致，高差≯0.5 m，相鄰兩層澆筑時(shí)間間隔不得超過混凝土的初凝時(shí)間。根據(jù)模板支撐情況，側(cè)墻澆筑時(shí)間應(yīng)≯6 h，澆筑速度≯1.5 m/h。防止模板由于混凝土側(cè)壓力而發(fā)生變形。澆筑時(shí)嚴(yán)格控制兩側(cè)對(duì)稱泵料，確保模板支撐結(jié)構(gòu)對(duì)稱受力，防止發(fā)生偏位。

施工過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。

6 結(jié)論

通過對(duì)天津地鐵6號(hào)線徐莊子站換乘車站進(jìn)行三維數(shù)值仿真計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1）地下連續(xù)墻施工質(zhì)量的好壞決定著車站主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，尤其軟土地區(qū)超深地下連續(xù)墻施工質(zhì)量至關(guān)重要，影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律；

2）深基坑單元計(jì)算中不能考慮周圍桿件和施工工況對(duì)支撐結(jié)構(gòu)剛度的影響，而整體計(jì)算中可以考慮，所以地鐵車站計(jì)算應(yīng)該采用整體的三維有限模型進(jìn)行計(jì)算，更符合實(shí)際的受力情況；

3）通過地鐵車站設(shè)計(jì)坑三維計(jì)算，得出車站結(jié)構(gòu)最大變形及內(nèi)力位置位于換乘段和開孔處，車站換乘節(jié)點(diǎn)處屬于薄弱環(huán)節(jié)，施工應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測；

4）車站結(jié)構(gòu)梁位置分布基本在各層應(yīng)力與變形較大處，比較合理，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，墻體中應(yīng)布置一定量的暗柱、扶壁柱進(jìn)行加強(qiáng)較合理，洞口會(huì)削弱樓板，應(yīng)在洞口周邊適當(dāng)加強(qiáng)。