利用既有車站作為重力式擋墻的換乘車站深基坑支護設計方案

姚燕明，趙豫鄂

(1.寧波市軌道交通工程建設指揮部，浙江 寧波 315100;2.浙江華展工程研究設計院，浙江 寧波 315000)

利用既有車站作為重力式擋墻的換乘車站深基坑支護設計方案

姚燕明1，趙豫鄂2

(1.寧波市軌道交通工程建設指揮部，浙江 寧波 315100;2.浙江華展工程研究設計院，浙江 寧波 315000)

寧波軌道交通1號線T形換乘大卿橋車站同步施工了換乘節點，1號線已建車站為地下二層，后建4號線換乘車站為地下三層，后建車站深基坑施工需對既有的車站進行保護。采用三維有限元分析比選了不同基坑支護設計方案對既有車站變形和內力的影響，從而確定合理的支護方案，并將計算結果與監測數據進行了對比分析。結果表明:已建車站整體縱向剛度大，能夠有效減少基坑開挖引起的變形，在基坑開挖過程中可以對既有車站結構不設置斜支撐。利用既有車站結構作為重力式擋墻有利于減少施工工序，縮短施工周期。

基坑 換乘車站 重力式擋墻

對于城市規劃的軌道交通線網，由于線路條件不穩定、規劃調整等，換乘車站常常無法同步實施，經常只能同期實施換乘節點。在后期新建換乘車站施工時，不可避免地需要對既有換乘車站進行保護。如上海地鐵2號線東方路車站后建平行換乘車站施工對既有車站的保護［1-2］，天津濱海軟土地區某換乘車站基坑開挖施工對既有運營線路的保護等［3］。

寧波軌道交通1號線在施工過程中，與4號線換乘位置由于規劃條件尚不穩定，只同步實施了換乘節點。在1號通車運營以后，4號線后建車站基坑設計時，需要與已經實施的換乘節點對接，利用既有的車站作為圍護結構的一端。寧波為典型的軟土地區，根據1號線地下車站基坑的施工經驗，基坑施工過程中的土體流變變形影響大，基坑開挖時間越長引起的圍護結構變形越大，因此必須快速連續施工來控制基坑變形。

參照沉管隧道靠近河岸的格柵連續墻支護結構設計方案［4］，靠河岸一側的圍護結構為無支撐的重力式支擋結構。在設計基坑支護時，將既有車站結構作為基坑一側的重力式擋墻，從而簡化基坑開挖工序，縮短車站施工周期。但該方案能否保證車站結構在基坑開挖過程中的安全，有待研究。因此在確定方案前，采用三維有限元計算比選不同基坑支護設計方案對既有車站變形和內力的影響，通過分析確定合理的支護方案。

1 工程概況

已建1號線車站為地下二層，雙柱三跨結構，底板埋深約16.0 m，施工時已將地下三層的換乘節點施工完畢，車站已經通車運營。新建換乘車站為地下三層，兩線呈T形換乘，換乘車站總平面如圖1所示。

圖1 換乘車站總平面

新建車站基坑采用明挖法施工，標準段深約23.2 m，寬22.5 m，基坑長度約138.0 m。主體圍護結構采用1.0 m厚地下連續墻，插入比約1∶1。豎向設7道支撐，其中第1道、第5道為混凝土支撐，其余5道為φ609壁厚16 mm鋼支撐，支撐中部設置了格構柱。

由于第5道混凝土支撐下土層較差，考慮到混凝土支撐施作時間較長，對該道支撐下土體采取抽條+裙邊的攪拌樁加固方式。車站底板基本位于⑤1黏土層，土性較好，根據類似工程設計經驗，無需加固。標準段基坑剖面如圖2所示。

圖2 標準段基坑剖面(標高單位:m;尺寸單位:mm)

換乘車站場地土體分層情況以及土體參數如表1所示。

2 有限元模擬

2.1 模型的建立

在分析后建換乘車站基坑開挖對既有換乘車站的影響時，采用考慮土體—結構共同作用的整體三維模型計算［5-7］。整體模型如圖3所示，整個模型模擬的范圍為350 m×290 m×100 m。模型的四周邊界施加水平方向位移約束，模型底部施加豎直方向位移約束。數值模擬中新建換乘車站基坑與既有換乘車站結構相對位置如圖4所示。

根據寧波地區類似工程的監測數據反演分析，采取修正摩爾—庫倫模型。修正摩爾—庫倫模型是一種改進了的模擬巖土行為的模型，適用于黏土、砂土等各種土性土體。對于以軟弱黏土層為主的寧波地區，采用修正摩爾—庫倫模型比較適用。

表1 主要土層參數

圖3 整體模型

圖4 換乘車站結構位置關系

圍護結構、圈梁、支撐以及既有換乘車站的結構均采用線彈性材料來模擬，其中圈梁、支撐和既有換乘車站的柱采用梁單元模擬，圍護結構和既有換乘車站的樓板結構采用板單元模擬。

2.2 方案對比

在研究的支護設計方案中，重點對基坑開挖過程中既有車站結構上是否設置斜支撐進行了討論，支護方案如圖5所示。兩者優缺點如下:

圖5 兩種方案的支護平面

方案1:對既有車站結構設置斜支撐。該方案有利于開挖過程中控制既有車站的變形，但是由于該斜支撐一端設置在換乘節點位置的連續墻上，需要在連續墻上植筋預埋鋼板或者設置鋼圍檁，增加施工工序。同時在基坑開挖到底后，新建換乘車站結構不能直接和換乘節點連接，必須隨新建車站結構逐步回筑拆除斜支撐以后，才能將換乘節點位置連續墻鑿除，再澆筑該后澆帶實現結構聯通，增加了結構貫通時間和基坑的暴露時間。

方案2:將既有車站作為基坑一端的重力式擋墻。該方案可以在基坑開挖后，隨著新建車站結構的澆筑，直接鑿除換乘節點位置的連續墻，實現結構直接聯通。該方案不僅可以減少施工工序和支撐設置的難度，而且可以提前約2.5個月實現結構貫通。但是否可以在基坑開挖過程中將既有車站作為基坑的重力式擋墻，需要計算分析確定。

3 計算結果分析

圖6為基坑開挖結束后，在換乘節點位置既有車站的水平位移隨深度變化曲線。

從圖6可以看出，無論是否在既有換乘車站上設置支撐，基坑開挖到底時連續墻墻身水平位移的趨勢大致相同，墻身最大水平位移位于坑底附近。方案1既有車站結構水平位移最大值為6.7 mm;方案2既有車站結構水平位移最大值為7.4 mm。

圖6 換乘節點位置既有車站水平位移隨深度變化曲線

圖7為基坑開挖到底時，在換乘節點中部連續墻墻身彎矩隨深度變化曲線。可見，兩方案連續墻墻身彎矩變化趨勢大致相同，彎矩變化差別較小，與方案1相比，方案2最大彎矩增大了約12%。

圖7 連續墻墻身彎矩隨深度變化曲線

綜上，方案2將既有車站作為基坑重力式擋墻，開挖過程中既有車站水平位移增大約10%，車站結構水平位移最大值7.4 mm，符合設計對地鐵車站的保護要求;同時兩方案連續墻內力差別較小，均符合設計要求。因此最終采用了方案2，利用既有車站作為基坑的重力式擋墻，取消該側基坑端部的斜支撐。

同時為了進行開挖階段的風險控制，明確了在基坑開挖過程中，當車站結構變形超過10 mm的警戒值時，要停止開挖，增設斜支撐作為應急處置方案。

4 監測數據分析

通過計算分析，確定采用將既有1號線車站作為重力式擋墻的基坑設計方案，在4號線基坑開挖過程

中，重點對已運營的車站進行了變形監測。1號線已運營車站共設置了21個監測斷面，根據監測數據，在新換乘車站基坑開挖施工過程中，既有車站變形較為穩定，整個監測周期內水平位移不到5 mm，最大變形發生在換乘節點中部。

而在新建車站長條形基坑標準段，開挖至坑底時，監測的連續墻最大水平位移達到43.2 mm。根據浙江省《建筑基坑工程技術規程》［8］，一級基坑的變形控制值為基坑深度的0.2%～0.5%，可見該變形值在允許范圍內。因為在換乘節點位置，既有車站結構縱向剛度較大，所以在基坑開挖過程中該側換乘節點位置車站結構變形遠小于標準段基坑連續墻水平位移。

5 結論

通過對寧波軌道交通4號線換乘車站基坑施工對既有1號線車站的影響分析，確定了基坑的合理支護設計方案，經方案計算結果與基坑開挖結束后監測數據的對比，驗證了該方案的合理性。

由于既有車站結構為箱形混凝土整體澆筑，縱向剛度大，在新建換乘車站基坑端部開挖過程中可以不對既有車站設置斜支撐。

對于軟土地區類似預留換乘節點的車站，后期基坑開挖時，可以先通過計算分析，在滿足變形和內力要求的前提下，將既有車站結構作為基坑重力式擋墻。這樣不僅可以減少支撐設置的難度，有效地簡化施工工序，而且可以縮短施工周期，提前實現新建車站與既有換乘節點的連接。

［1］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，2005，1(4):642-645.

［2］姚燕明，孫巍，陳緒祿，等.老車站縱向約束長度對換乘站基坑變形影響的敏感性分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(4):678-681.

［3］張健，張宇亭.天津濱海軟土地區地鐵車站開挖基坑穩定性分析［J］.鐵道工程學報，2014，31(4):103-106.

［4］張玉成，楊光華，胡海英，等.格柵式連續墻在沉管隧道護岸工程支護中的應用［J］.巖土工程學報，2012，34(增 1): 440-446.

［5］陸新征，宋二祥，吉林，等.某特深基坑考慮支護結構與土體共同作用的三維有限元分析［J］.巖土工程學報，2003，25 (4):488-491.

［6］孫洋波，袁聚云.長峰商城超大型基坑臨近地鐵側的施工保護措施［J］.巖土工程學報，2006，28(增):1712-1715.

［7］高盟，高廣運，馮世進，等.基坑開挖引起緊貼運營地鐵車站的變形控制研究［J］.巖土工程學報，2008，30(6):818-823.

［8］浙江省住房和城鄉建設廳.DB33/T 1096—2014 建筑基坑工程技術規程［S］.杭州:浙江工商大學出版社，2014.

Design scheme of deep foundation pit support of transfer metro station taking advantage of existing station as gravity retaining wall

YAO Yanming1，ZHAO Yu'e2
(1.Ningbo Urban Rail Transit Management Department，Ningbo Zhejiang 315100，China; 2.Zhejiang Huazhan Institute of Engineering Research and Design，Ningbo Zhejiang 315000，China)

T he transfer node of the“T”shaped Daqing Bridge transfer metro station in Ningbo rail transit line 1 was constructed synchronously，the underground two storey building of the line 1 station was built，the later transfer metro station of line 4 is a underground three storey building，and the deep foundation pit construction of later metro station needs the protection of existing stations.T he influence of the different foundation pit support design scheme on the deformation and internal force of existing station was analyzed by using three-dimension finite element，the reasonable support plan was determined，and the calculation results and the monitoring data were compared.T he results showed the deformation of the station caused by foundation pit excavation could be reduced efficiently due to the big whole longitudinal stiffness of the existing station，the inclined brace of the foundation pit don't need to be set for the existing station structure during foundation pit excavation，which means using existing railway station structure as a gravity retaining wall could reduce the construction process and shorten the construction cycle effectively.

Foundation pit;T ransfer metro station;Gravity retaining wall

TU94+1;U231+.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.25

(責任審編 葛全紅)

2015-02-10;

:2015-07-10

寧波市社會發展領域科技攻關項目(2014C50036)

姚燕明(1977— )，男，江西南昌人，教授級高級工程師，博士。

1003-1995(2015)09-0086-04