T型換乘地鐵車站續建基坑開挖對運營結構的影響分析及對策

劉 亮

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133）

T型換乘地鐵車站續建基坑開挖對運營結構的影響分析及對策

劉 亮

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133）

T型換乘地鐵車站續建基坑開挖將對運營結構產生偏壓影響，為了保護既有結構的受力、變形滿足運營要求，采用Plaxis有限元軟件對既有T型地鐵車站續建基坑結構受力、變形影響進行數值分析。結果表明T型換乘節點基坑采用明挖方案可行，可為下一步施工圖設計提供理論參考。針對續建基坑開挖、既有結構破除等施工風險提出了一系列的保護措施。

T型換乘；地鐵車站；基坑開挖；變形；數值分析；保護

0 引言

隨著地鐵的不斷擴展和延伸，緊鄰既有地鐵線路和車站進行施工的情況已不可避免，后建車站的基坑開挖施工必然對既有車站產生影響。在針對新建項目對已有建筑物的影響方面：曾遠等［1］以分析基坑開挖引起緊鄰車站變形為目的，對實際的基坑開挖進行數值分析，研究了地鐵車站基坑開挖時新舊兩車站的間距、源頭變形、土體彈性模量3個因素對在運營車站變形的影響；李偉強等［2］通過數值計算分析研究基坑開挖對鄰近地鐵結構及軌道的位移情況；李志高等［3］通過數值模擬發現，大剛度地鐵車站的存在對基坑開挖的位移場具有很大影響，表現為對基坑變形的遮攔作用和改變坑周土體位移場；朱炎兵等［4］通過二維有限元數值模擬，研究不同距離和開挖深度組合下臨近既有地鐵車站變形性狀及其對周邊環境的影響；姚燕明等［5］針對基坑開挖對鄰近既有地鐵車站的影響，提出一種彈性地基上的板殼有限元計算模型，并對模型中土壓力的作用方式進行了分析；張國亮等［6］通過計算分析研究新建地鐵車站基坑施工與既有車站結構間的相互影響。

上述研究著重分析新建基坑開挖對既有車站的變形影響，本文針對T型續建基坑開挖后的偏壓作用，分析驗證續建基坑開挖對既有車站結構受力、變形影響是否滿足地鐵安全運營要求，并結合實施風險提出一系列保護措施。

1 工程概況

武漢7號線王家墩東站位于青年路和建設大道交叉路口以西地塊內，沿規劃黃海路設置，與既有軌道交通2號線王家墩東站“T”型換乘，換乘節點已預留。2號線為地下2層，7號線及換乘節點為地下3層，底板埋深約25 m，圍護結構均采用1 m厚地連墻落底。7號線基坑開挖必然造成換乘節點受偏壓作用向基坑內側發生變形，既有結構受力必然隨之發生變化；另此次與2號線接駁需破除原地連墻及側墻，從而增加了該節點設計實施難度。2號線與7號線王家墩站總平面見圖1。

圖1 2號線和7號線王家墩東站總平面圖Fig.1 General plan of Wangjiadun East Station on Line 2 and Line 7

2 工程地質、水文地質情況

擬建工程所在場地為一級階地河流堆積平原區，上覆土層主要為近代人工填土層、第四系河流沖洪積土層、砂層，下部基巖為志留系泥巖。承壓水主要賦存于3-5混合層及下部砂層中，水位標高20.0 m。該處地層物理力學參數取值見表1。

3 工法選擇

如何有效地控制基坑開挖對既有2號線換乘節點的變形影響是選擇本站施工方案的關鍵。蓋挖逆作法與明挖法相比，利用結構板作為支撐，提高了支撐剛度，可以有效控制基坑變形，另連續墻及結構墻破除可以隨著基坑開挖同時進行；但是由于該位置作為盾構始發井，需預留盾構孔，導致結構板提供的支撐剛度有限，另局部蓋挖破壞了整個車站的外包防水體系，且工期較長等，明挖法通過采用混凝土支撐代替鋼支撐以提高支撐剛度，合理的安排施工工序也能達到控制基坑變形的要求，所以該節點推薦采用明挖法施工。明挖法施工圍護結構平剖面見圖2。

表1 土層物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

圖2 明挖法施工圍護結構平剖面圖Fig.2 Diagram of retaining structure

4 既有2號線運營安全控制標準

表2 結構安全控制指標表Table 2 Structural safety control indices

軌道變形可根據實時監測結果，一旦達到報警值則及時進行維護修理，為了驗證該節點明挖方案的可行性，本文主要針對既有結構受力、變形進行分析。

5 計算分析

新建基坑支護采用同濟啟明星和天漢軟件進行計算，為了檢驗T型換乘節點位置結構是否滿足受力及變形要求，本文采用Plaxis2D有限元軟件進行分析。

5.1 計算模型

見圖3。

圖3 計算模型網格（單位：m）Fig.3 Grid of computation model（m）

原2號線換乘節點沿7號線方向基坑寬度25 m，深25 m，連續墻深50 m落底。計算模型尺寸取80 m×55 m（長×寬），結構距離右側35 m、左側20 m，地面超載取20 kPa，本構模型采用土體硬化模型（HS模型），連續墻、內襯結構及抗拔樁采用板單元模擬，支撐采用錨桿單元模擬，土與結構之間采用界面單元模擬。計算單元采用15節點三角單元，在結構與土層接觸部位采取局部加密處理。分析過程按照實際工序采取分步開挖，隨挖隨撐，開挖過程通過凍結土體單元處理。

5.2 計算參數

就這樣，依靠嚴密的生產管理與全體職工奮戰，終于順利度過管線焊接這一關。70千米管線，6790道焊口，經過超聲波探傷，其中一部分復經X射線拍片檢查，一次合格率達96%，工程質量優良率達98.1%，無一處滲漏，一次試運投產成功。

Brinkgreve［8］研究發現土體加載卸載泊松比的變化范圍為0.1～0.25，PLAXIS［9］中建議值為0.20。根據文獻［10］所述，Mohr-Coulomb模型中各土層彈性模量等于HS模型中的E50，計算中土體彈性模量取壓縮模量的3倍，界面強度折減因子取0.7，剛度應力水平相關冪指數取0.5，剛度參考應力默認取100。其他參數見表1。

5.3 分析結果

經分析，該基坑工程最不利工況為開挖至基底，底板尚未澆筑時，模型網格變形情況見圖4。

圖4 基坑開挖后變形的網格Fig.4 Deformed grid after foundation pit cutting

5.3.1 土層位移分析

土層位移結果顯示，新建基坑開挖對周邊的土層水平位移影響較大，垂直位移影響較小。土體水平位移在結構側壁位置相對較小，最大值發生在換乘節點底板以下；豎向位移在既有車站范圍內較小，最大值發生在新建基坑基底隆起范圍。表明既有結構的“遮攔作用”對周邊土體位移場有影響［3］。土體水平及垂直位移云圖見圖5和圖6。

圖5 水平位移云圖（Ux）Fig.5 Contour of horizontal displacement（Ux）

圖6 垂直位移云圖（Uy）Fig.6 Contour of vertical displacement（Uy）

5.3.2 既有結構受力、變形分析

結構計算結果顯示：既有結構頂、中、底板最大豎向位移4.48 mm；隨著基坑開挖頂板位置側向位移先增大后趨于穩定，底板位置側向位移逐漸增大；側墻最大水平位移17.43 mm，水平、豎向位移均小于20 mm；板的彎矩分配由于基坑開挖發生變化，頂、底板最大彎矩發生在開挖側，中板則遠離開挖側，剪力變化較小，經核算，原構件配筋滿足受力要求。結構位移、內力情況見圖7，位移變化見圖8。

6 施工工序及保護措施

為保證此節點基坑的順利實施，需制定合理的施工工序，并針對實施過程中的風險點采取相應的保護措施。

圖7 基坑開挖后既有結構位移、內力圖Fig.7 Displacement and internal force of existing structure after foundation pit cutting

圖8 既有結構頂、底板位置側墻位移變化曲線Fig.8 Curves of displacement of sidewalls at roof and floor of existing structure

6.1 施工工序

1）明挖法分層開挖及施作混凝土支撐至坑底設計標高，斜撐作用在換乘節點老地連墻上，此階段不進行換乘點破除。

2）從下到上依次施工7號線主體結構，并按照標準段施工工序拆除支撐及換撐，并保證主體結構抵住老連續墻。

3）待主體結構頂板完成且達到設計強度后，進行換乘節點中間部分老地連墻及結構破除，從上到下依次破除完成后，順做此范圍板、梁、柱。

4）待中間部分結構完成達到設計強度后，進行換乘節點兩側老地連墻及結構破除，逆作法，從上到下邊破邊做板，待3層板完成后再從下到上施工側墻。

6.2 保護措施

1）本站地處長江一級階地，承壓水位最高20 m，換乘節點位置底板埋深25 m，位于4-2細砂層，基坑降水困難，為了降低降水施工難度，減小深基坑降水對2號線的影響，7號線采用1 m厚連續墻落底，墻底注漿，坑內疏干降水；為了避免由于坑內外水頭差較大，連續墻接縫施工質量較差帶來的接縫管涌風險，在連續墻接縫外側采用3根旋噴樁咬合止水；在基坑外兩側打設減壓降水井，一旦出現管涌及時開啟減壓。

2）換乘節點西側地連墻及結構破除不與基坑開挖同時進行，待7號線主體結構板完成后再行破除；破除分兩期進行，先中間后兩邊；破除順序從上到下；中間結構順做法施工，板帶破除完成后增加混凝土臨時支撐；兩側結構采用逆作法施工；混凝土破除按照先保護后破除，盡量減小振動影響為原則，采取機械切割或人工破除，嚴禁采用機械破除，且破除工作應在夜間即地鐵停止運營期間進行；在換乘節點西側邊梁位置砌筑300 mm厚隔墻進行隔離保護。

3）換乘節點西側連續墻及側墻破除前，先施工盾構井結構板及側墻抵住連續墻，端頭設置止水鋼板，既起到換撐效果也保證了施工縫的設置。施工縫大樣見圖9。

圖9 連續墻邊施工縫大樣Fig.9 Details of construction joint

4）加強監測，建立風險控制信息化施工，一旦發現結構位移、裂縫等超限，立即采取應急措施，如在頂、中板位置加臨時鋼支撐等；并加強對已運營2號線軌道、設備等檢查，發現異常立即停止施工。

7 結論與建議

1）本文采用Plaxis有限元軟件對T型換乘地鐵站續建基坑采用明挖法對運營結構的開挖影響進行分析，采用混凝土支撐代替以提高支撐剛度，結果顯示，既有結構的受力、變形均能滿足要求。

2）由于既有結構的“遮攔作用”改變了周邊土體的位移場，續建基坑側壁土層水平位移和既有結構范圍內土層豎向位移較小。

3）T型換乘續建基坑開挖對既有結構的板的彎矩影響較大；隨著基坑開挖各層板的豎向位移影響較小，側向位移影響較大，頂板位置的側向位移先增大后趨于穩定，底板位置側向位移逐漸增大，但均能滿足運營要求。

4）為減小工程對既有車站的運營影響，待主體結構完成后再破除中間連續墻，應注意結構與連續墻接觸位置的處理。采用在施工縫位置設置凹槽，并預埋止水鋼板，通過采用方木或泡沫填充對其進行保護處理，既起到換撐效果也保證了施工縫的設置。

5）本站采用連續墻落底及坑內疏干降水，墻底注漿確保基坑絕對落底封閉以減小降水施工對既有車站的影響。為了避免由于坑內外水頭差較大，連續墻接縫施工質量較差帶來的接縫管涌風險，在連續墻接縫外側采用3根旋噴樁咬合止水，并在基坑外側打設減壓降水井，一旦出現管涌及時開啟減壓。

6）該工程采取分2期破除中間地連墻及結構，從而有效地控制連續墻破除帶來的剛度驟減的影響。

7）本工程目前處于設計階段，下一步將通過建立三維土層-結構模型對結構受力、變形規律進一步分析研究。

（References）

［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.（ZENG Yuan，LI Zhigao，WANG Yibin.Research on influencing factors of deep excavation adjacent to subway station［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1（4）：642-645.（in Chinese））

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［9］ R B J Brinkgreve，WBroere.PLAXIS 2D-Version9［M］.Netherlands：Delft，2008.

［10］ R B JBrinkgreve Al-Khoury R，Bakker K J，et al.PLAXIS finite element code for soil and rock analyses［M］.［s.l.］：Balkema，2001.

Analysis on Influence of Cutting of Foundation Pit on Existing Structure：Case Study on Cutting of a T-shaped Transfer Metro Station

LIU Liang
（China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）

The cutting of the foundation pit of a T-shaped transfer Metro station will have unbalanced pressure on the existing Metro structure.In the paper，numerical analysis ismade on the deformation of the existing Metro structure caused by the cutting of the foundation pit of a T-shaped transfer Metro station by means of Plaxis finite element program，so as to protect the existing Metro structure and to ensure that the deformation of the existing structure canmeet the operation requirements.The study，which shows that open cutting can be adopted for the foundation pit of the T-shaped transfer Metro station，can provide theoretical reference for the construction drawing design in the following stage.Furthermore，a series of countermeasures are proposed for the cutting of the foundation pit and the dismantling of the existing structure.

T-shaped transfer Metro station；foundation pit cutting；deformation；numerical analysis；protection

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.03.009

U 459.3

A

1672-741X（2015）03-0244-06

2014-11-12；

2015-01-20

劉亮（1982—），男，河北高碑店人，2009年畢業于河北工業大學，結構工程專業，碩士，工程師，從事地鐵設計工作。