新建地鐵站基坑臨近及無覆土下穿運營地鐵站安全技術措施研究

王懷東, 劉方明, 彭紅霞

(1. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300308； 2. 南京地鐵建設有限責任公司, 江蘇 南京 210036)

0 引言

隨著大中型城市軌道交通日益向網絡化、規模化發展，軌道交通新線不可避免地會與既有軌道交通發生交叉。由于城市地鐵建設的不確定性、線網規劃調整及地鐵結構的復雜性等因素，部分線路的換乘節點沒有在前期車站的建設中一并施工，導致在后續線路的建設中需增設換乘節點。長距離通道換乘方式不及廳-臺等換乘方式有效，因此往往需要采用下穿前期車站的施工方法來實現便利的換乘功能。后續線路實施時必須保證施工安全及既有線路的安全運營。

換乘車站下穿既有地鐵車站施工方案，國內外已有部分類似工程案例的文獻報道。陶連金等[1]依托北京地鐵新建10號線公主墳站下穿既有1號線公主墳站工程實例，提出了平頂直墻CRD+多重預頂撐的暗挖施工工藝，并通過數值計算確定了施工各階段的沉降控制指標。王春希[2]通過對暗挖隧道下穿既有站采用不同工法及不同加固范圍的計算分析比較，并依據地鐵站結構變形控制值，來確定暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施，結果表明，采用CRD工法開挖，比全斷面法及臺階法對控制豎向位移效果顯著； 隧道掌子面及周邊一定范圍土體采用深孔注漿加固，可以有效控制既有車站結構及軌道豎向變形，滿足既有線結構使用和運營要求。李驥[3]以北京某新建PBA工法地鐵車站密貼下穿既有車站為例,通過數值模擬及車輛-軌道耦合動力分析等技術,研究了PBA工法的群洞效應、洞樁法穿越施工對既有結構的影響規律、穿越過程對地鐵列車動力性能的影響以及相應的風險控制技術措施等。文獻[4-7]以北京地鐵9號線軍博站主體下穿1號地鐵既有線[4]、大連地鐵2號線南南區間下穿哈大客運專線站場[5]、深圳地鐵7號線皇崗村站至福民站的新建小間距雙線平頂隧道施工區間工程[6]、北京地鐵6號線東四站—朝陽門站區間下穿既有5號線東四站[7]為例，主要研究了暗挖工法下穿既有站的風險及控制措施。

薛長遷[8]在借鑒傳統深基坑施工方法的基礎上，對換乘車站超深基坑的超深地下連續墻施工及基坑降水等方法進行優化，輔以施工監測和信息化管理手段，總結出換乘地鐵車站中新建車站基坑的施工方法。梁棟等[9]結合某高速公路橋梁基礎基坑工程，利用MIDAS/GTS軟件進行平面數值計算，深入探討了不同開挖深度、不同相隔間距、不同基坑尺寸、不同嵌固深度和不同樁基剛度等對支擋結構變形特征的影響，為既有路基旁基坑開挖支護設計提供了技術參考。楊慶剛[10]以臨近既有2號線莫愁湖站的南京地鐵7號線新建莫愁湖站基坑施工為實例,運用有限元軟件對施工過程進行了建模分析,提出了相應處置措施。文獻[11]和文獻[12]分別介紹了深圳地鐵5號線前海灣站基坑工程對與其相鄰的1號線鯉魚門車站工程的影響[11]、天津市天河城購物中心項目工程對緊鄰的天津市地鐵3號線和平路站的影響[12]，并提出相關風險控制措施。

以上例子均是針對基坑工程或暗挖工程對既有站的影響，提出各種風險控制措施。從各種例子可以看出，目前在國內基坑臨近及無覆土暗挖下穿疊加影響的工程經驗較少。本文結合南京地鐵5號線上海路站的工程特點，對基坑臨近及無覆土暗挖下穿地鐵站的技術進行研究，提出風險管控措施，以期為后續類似工程的建設提供借鑒。

1 工程概況

1.1 建筑結構布置

南京地鐵5號線工程上海路站位于上海路與漢中路交叉口下方，沿莫愁路、上海路南北走向。

新建車站與2號線上海路站十字相交，相交處5號線上海路站下穿2號線上海路站。2號線上海路站標準段寬21.8 m，底板埋深約15.6 m，車站總長211.4 m。5號線上海路站暗挖節點處寬約25 m，底板埋深約23.1 m，車站總長346.5 m，暗挖段長度約22 m，暗挖高度約7.713 m。上海路站總平面如圖1所示，下穿既有站縱剖面關系如圖2所示。2號線車站為地下2層雙柱三跨箱形框架結構，島式站臺，站臺寬13 m，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層。

圖1 上海路站總平面圖

Fig. 2 Profile showing relationship between Shanghai Road Station and existing station (unit： m)

既有車站主體結構采用明挖順作法施工，基坑深15.56～16.36 m，圍護結構主要采用φ1 200人工挖孔樁，樁間采用分層掛網噴錨支護。車站于2005年12月全面開工，2010年5月28日正式運營。

1.2 預留條件

既有車站實施時僅預留與5號線換乘條件，未實施換乘節點，即底板預留洞邊梁，底板以下預留8根長10 m、直徑900 mm的鋼筋混凝土柱(柱下無基礎)，4根長7.81 m、直徑800 mm的鋼管柱(柱下有擴大基礎，尺寸為2 m×2 m×3 m)，既有車站換乘節點預留條件縱剖面如圖3所示。

Fig. 3 Longitudinal profile of reserved conditions for station transfer nodes (unit: mm)

1.3 永久性結構監測情況

既有線路在2010年5月28日正式運營，自2010年12月起進行沉降監測，監測頻率約為每年2次。換乘節點處車站結構監測情況如圖4所示。

(a) 上行線路

(b) 下行線路

運營期間，車站結構相對于運營期初值最大沉降量為3.7 mm<20 mm、最大隆起量為0.8 mm<10 mm； 相對于鋪軌完成后最大沉降量為5.4 mm<20 mm，最大隆起量為8.2 mm<10 mm。運營車站處于穩定狀態。

1.4 工程地質及水文地質條件

擬建場地地貌單元為長江階地與秦淮河漫灘交界帶。基坑開挖范圍主要為填土層、粉質黏土、含卵礫石粉質黏土、粉質黏土夾粉砂、強風化砂礫巖和中風化砂礫巖； 暗挖隧道開挖范圍主要為含卵礫石粉質黏土、粉質黏土夾粉砂、強風化砂礫巖和中風化砂礫巖。暗挖換乘節點段地質剖面如圖5所示。

擬建場地周邊無地表水體，本場地地下水有孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。承壓水含水層為卵礫石粉質黏土，因土層滲透性差異大，具承壓性。

2 既有車站變形控制標準

根據軌道交通條例，臨近基坑和下穿暗挖換乘節點段均位于既有線路特別保護區內。結合《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[13]、《江蘇省城市軌道交通工程安全監測技術規程》[14]和運營監測數據綜合分析，新建車站施工過程中運營車站的變形控制標準如表1所示。

3 新建工程對既有車站影響風險控制措施

3.1 基坑工程

既有車站圍護結構向下延伸至負2層底板以下2.5 m。新建明挖基坑直接開挖至既有車站圍護結構處，基坑開挖期間既有站圍護需全部破除、負3層土體直接全部暴露，無水平約束、底部土體易滑移變形，既有車站風險不可控。新建基坑無隔離樁支護縱斷面如圖6所示。

為有效控制新建基坑施工期間既有站的變形，在換乘節點兩側各新增1排鉆孔灌注樁進行隔離防護負3層土體，隨著暗挖隧道的開挖逐塊破除支護樁，確保換乘節點兩側為獨立完整基坑。為避免開挖期間引起既有結構偏載，在換乘節點兩側新建基坑與隔離樁自上而下設置斜向支撐進行加強，斜向支撐與基坑對撐之間錯位布置。新建獨立完整基坑既有站保護斜支撐布置如圖7所示，新建獨立完整基坑支護縱斷面如圖8所示。

3.2 無覆土暗挖換乘節點段下穿工程

換乘節點新建車站需采用暗挖施工下穿既有車站。暗挖隧道采用2個邊導洞先行、再施工中導洞，最后開挖中導洞與邊導洞之間土體。采用上下臺階法進行開挖，左右導洞對稱施工。原設計方案上排導洞采用U型鋼架結構，邊導洞橫向跨度6 m，下穿暗挖節點采用分段分步開挖，在開挖過程中每3 m輔以φ609、t=16 mm鋼立柱支撐2號線底板，并約束5號線底板，邊導洞在拆除中間的鋼架后，架設換撐減少側墻的變形。調整前新建車站下穿既有站主要分步開挖示意如圖9所示。

標高單位為m。

圖5 暗挖換乘節點段地質剖面(單位： mm)

圖6 新建基坑無隔離樁支護縱斷面

Fig. 6 Cross-section showing support without separation pile of newly-built foundation pit

為避免開挖導洞鋼架上支點懸臂引起留置土柱松弛、甚至坍塌現象，邊導洞、中導洞均需實現鋼架閉合。

由于車站鋼筋混凝土立柱持力層為強風化巖和中風化巖，很有可能出現邊導洞開挖期間既有站的結構下沉，因此應盡量減小邊導洞寬度，按導洞邊墻至預留邊立柱凈距滿足人工手推車出土條件進行優化，優化邊導洞凈寬為2.5 m。

為避免鋼架拆除過程中側邊墻變形和坍塌，邊導洞應采用分段施作結構和換撐方式拆除頂部鋼架。邊導洞結構完成后，應在千斤頂豎向臨時支撐架設完成后再進行中導洞的開挖。調整后新建車站下穿既有站主要分步開挖示意如圖10所示。

4 基坑臨近車站工程和無覆土下穿暗挖換乘節點段工程數值分析

4.1 計算模型

4.1.1 基本假定

數值模擬過程中，對地層結構進行部分簡化和處理，本次計算基本假定包括：

1)初始應力只考慮圍巖的自重應力，忽略構造應力的影響；

2)所有材料均為均質、連續、各項同性，土體水平成層分布；

3)圍巖按摩爾-庫侖理想彈性材料計算；

4)機械荷載不考慮機械在運作過程中產生的振動荷載。

圖7 新建獨立完整基坑既有站保護斜支撐布置(單位： mm)

標高單位為m。

圖8新建獨立完整基坑支護縱斷面(單位： mm)

Fig. 8 Longitudinal profile of support for new-built foundation pit (unit: mm)

(a) 導洞開挖示意 (b) 內部結構施工示意

圖9調整前新建車站下穿既有站主要分步開挖示意

Fig. 9 Sketches of stepped excavation before optimization

(b) 中導洞開挖示意

(c) 內部結構施工示意

圖10調整后新建車站下穿既有站主要分步開挖示意圖

Fig. 10 Sketches of stepped excavation after optimization

4.1.2 參數選取

1)基坑周邊機械荷載模擬。基坑開挖采用單元鈍化的方式進行模擬，機械荷載等效為均布荷載，施加于基坑外側地表。

2)接觸模擬。由于材料性能不同，根據變形協調條件，結構和土體之間在變形的過程中會產生一定的縫隙，而不是完全接觸。在數值模擬過程中，采用借出單元對結構與土體之間的接觸進行模擬。

3)圍巖結構及圍巖模擬。本次對基坑圍護結構模擬時采用彈性本構模擬，圍巖模擬采用Mohr-Coulomb模型，Mohr-Coulomb模型是彈性-塑性本構，其破壞準則是受最大剪應力控制的，可通過反映最大和最小主應力關系的摩爾圓來表現。

4.1.3 計算模型

采用土體范圍為300 m×150 m×50 m(長×寬×高)有限元模型，模型外側土體四周約束其水平位移，底部邊界約束其豎向位移，地表為自由邊界。在此區域模擬土層，通過激活和鈍化開挖區的土體單元、結構單元模擬暗挖施工過程。新建工程對既有工程影響三維仿真模型如圖11所示。

4.2 計算工況

為更加直觀地分析新建工程施工對既有工程站的影響，主要研究以下問題： 1)基坑開挖對既有工程的安全影響分析； 2)暗挖段開挖對既有工程的安全影響分析。

采用大型有限元差分軟件MIDAS GTS-NX分析新建工程施工對既有工程結構變形和內力的影響。

(a) 整體模型

(b) 新建工程

(c) 既有工程

圖11新建工程對既有工程影響三維仿真模型

Fig. 11 Three-dimensional simulation model of influence of newly-built station on existing station

4.3 數值分析計算結果

4.3.1 基坑開挖對既有車站的影響

基坑開挖引起的沉降如圖12和圖13所示。

4.3.2 暗挖換乘節點段施工對既有車站的影響

暗挖施工引起的沉降如圖14和圖15所示。

經過計算分析，基坑和暗挖施工引起的既有車站變形統計如表2所示。從表2可知： 最大沉降3.6 mm，立柱最大沉降2.3 mm，最大隆起量0.02 mm，立柱差異沉降0.4 mm，軌道橫向高差3.5 mm，縱向高差3.4 mm，均控制在標準允許范圍內。

圖12 基坑開挖引起底板豎向沉降(單位： m)

Fig. 12 Nephogram of vertical settlement of base induced by foundation pit excavation (unit: m)

圖13 基坑開挖引起立柱豎向沉降(單位： m)

Fig. 13 Vertical settlement of column induced by foundation pit excavation (unit: m)

圖14 暗挖施工引起底板豎向沉降(單位： m)

Fig. 14 Vertical settlement of base induced by mining excavation (unit: m)

圖15 暗挖施工引起立柱豎向沉降(單位： m)

Fig. 15 Vertical settlement of column induced by miming excavation (unit: m)

表2新建基坑工程、暗挖工程引起既有車站變形統計

Table 2 Deformation statistics of existing metro station induced by newly-built foundation pit and mining excavation

階段分析項目變形值/mm基坑工程底板沉降0.11底板上浮-0.02水平位移0立柱沉降0立柱差異沉降0軌道橫向高差0.10軌道縱向高差0.11暗挖工程底板沉降3.6底板上浮0水平位移0立柱沉降2.3立柱差異沉降0.4軌道橫向高差3.5軌道縱向高差3.4

4.3.3 既有車站內力影響分析

基坑開挖完成后既有車站構件彎矩和軸力如圖16和圖17所示； 暗挖換乘節點段完成后既有車站構件彎矩和軸力如圖18和圖19所示。

(a) 既有車站結構底板彎矩影響(開挖至坑底)

(b) 既有車站結構側墻彎矩影響(開挖至坑底)

Fig. 16 Bending moment of existing metro station structure after excavation of foundation pit (unit: kN·m)

圖17 基坑開挖完成后既有車站構件軸力(單位： kN)

Fig. 17 Axial force of existing metro station structure after excavation of foundation pit (unit： kN)

(a) 既有車站結構底板彎矩影響(暗挖完成)

(b) 既有車站結構側墻彎矩影響(暗挖完成)

(c) 既有車站結構柱彎矩影響(暗挖完成)

Fig. 18 Bending moment of existing metro station structure after mining excavation of transfer mode (unit： kN·m)

Fig. 19 Axial force of existing metro station structure after mining excavation of transfer mode (unit： kN)

根據圖16—19的計算結果，得出既有車站框架結構內力結果如表3所示，預留立柱結構內力結果如表4所示。

表3新建工程期間既有車站框架結構內力統計

Table 3 Statistics of internal force of existing metro station frame structure during construction of newly-built station

kN·m

表4新建工程期間既有車站預留立柱結構內力統計

Table 4 Statistics of internal force of existing metro station reserved column during construction of newly-built station

kN·m

4.3.4 內力分析計算

4.3.4.1 2號線底板結構內力受力分析

新建工程期間既有車站底板結構內力分析見表5。

表5新建工程期間既有車站底板結構內力分析

Table 5 Statistics of internal force of existing metro station base structure during construction of newly-built station

構件及特征實際配筋開挖后內力/(kN·m)強度驗算結果裂縫驗算結果底板900 mmC30C25@200365.7滿足滿足

4.3.4.2 2號線負2層側墻結構內力受力分析

新建工程期間既有車站負2層側墻結構內力分析見表6。

表6新建工程期間既有車站負2層側墻結構內力分析

Table 6 Statistics of internal force of sidewall structure of basement 2 of existing metro station during construction of newly-built station

構件及特征實際配筋開挖后內力/(kN·m)強度驗算結果裂縫驗算結果側墻600 mmC30C25@200311.3滿足滿足

4.3.4.3 車站運營階段結構受力核算

1)站廳層增設立柱核算。新建工程期間既有車站框梁結構內力分析如表7所示。

處理措施： 換乘廳增設立柱，并做好加固處理。加立柱后新建工程期間既有車站框梁結構內力分析如表8所示。

表7未加立柱時新建工程期間既有車站框梁結構內力分析

Table 7 Analysis of internal force of existing metro station frame structure without column during construction of newly-built station

構件及特征實際配筋開挖后內力/(kN·m)強度驗算結果裂縫驗算結果RAL4500 mm×1 100 mmC30支座12?32跨中8?32腰筋8?20箍筋?12@100/200(4)支座1 352跨中2 156不滿足0.594>0.3不滿足

表8加立柱后新建工程期間既有車站框梁結構內力分析

Table 8 Analysis of internal force of existing metro station frame structure with column during construction of newly-built station

構件及特征實際配筋開挖后內力/(kN·m)強度驗算結果裂縫驗算結果RAL4500×1 100 mmC30支座12?32跨中8?32腰筋8?20箍筋?12@100/200(4)支座546跨中1 226滿足0.292<0.3滿足

2)換乘節點底板核算。列車荷載按35 kPa考慮，2號線換乘節點處原結構尺寸如圖20所示，結構底板內力分析如表9所示。

3)抗浮設計核算。新建車站暗挖隧道與既有站底板連接、新增抗拔樁措施，既有站側墻接口打開后，經核算抗浮安全系數1.2>1.15，滿足規范要求。

圖20 換乘節點結構平面布置(2號線站廳層)(單位： mm)

Fig. 20 Plan of layout of transfer node structure (hall floor of Line No. 2) (unit: mm)

表9新建工程期間既有車站換乘節點底板結構內力分析

Table 9 Analysis of internal force of base structure of transfer node of existing metro station during construction of newly-built station

構件及特征實際配筋開挖后內力/(kN·m)強度驗算結果裂縫驗算結果底板900 mmC30主筋跨中C25@200主筋支座C25@200+C25@200分布筋跨中C22@200分布筋支座C22@200+C22@200381.25606.85232.50370.07滿足滿足滿足滿足滿足滿足滿足滿足

5 結論與建議

綜上分析，基坑臨近通過設置隔離樁在換乘節點兩側形成獨立完整基坑、暗挖換乘節點段按10步完整導洞開挖，可有效確保運營地鐵車站安全。在今后類似工程中安全控制措施應重點注意以下幾點：

1)在既有站臨近基坑工程和下穿暗挖工程施工時，應根據施工順序進行疊加變形影響分析。基坑工程施工完成后的殘余允許變形量作為后續暗挖施工的控制標準。

2)臨近既有站基坑工程施工時，支護施工、降水、基坑開挖均可能對既有站產生影響。其中，支護和降水的影響主要在軟土地區，建議進行提前隔離和隔斷地下水措施。復合地層影響主要體現為施工振動、側向卸載過大，建議采取振動較小的成孔工藝和非爆破施工技術，基坑開挖應避免既有站支護吊腳、開挖卸載階段采取側向施加臨時水平支撐的荷載補償措施。

3)豎向沉降變形是下穿既有車站暗挖施工的控制重點，采用多導洞、小分塊開挖方式可有效控制變形。同時，新建工程與既有站底板之間若保留土體，土體塌落和土體壓縮變形不易控制，建議盡量采用無覆土形式下穿。

4)暗挖下穿既有車站時，應注重換撐在控制既有站結構沉降和底板封閉前成品保護的積極作用。