新建地鐵結構近接既有地鐵車站工程全過程分析

朱 峰

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

由于城市環境復雜，新建地鐵項目面臨的建設難度越來越大，例如近接既有建構筑物等。如果對工程采取的措施不到位，將會對既有結構的正常使用產生影響，甚至造成嚴重破壞。針對沈陽地鐵九號線工程奧體中線站及奧-奧區間臨近既有地鐵二號線奧體中心站施工，采用有限元方法建立模型進行全過程模擬，對工程方案進行分析。

1 工程概況

奧體中心站是沈陽地鐵九號線與二號線的一個換乘站，其中九號線車站部分位于青年南大街下，東西兩端均位于綠化用地范圍內，大致呈東西向布置。奧體中心站為14m島式站臺車站，車站總長150m，兩端為明挖三層，中間跨路段為暗挖三層。地鐵九號線奧體中心站～奧體東站下穿既有二號線奧體中心站后，沿渾南四路走向，至奧體東站，在奧體東站前設置單渡線。該區間全部采用礦山法施工。

2 工程風險

新建地鐵結構共有三個地方對既有車站產生影響：

(1)奧-奧區間雙線下穿二號線奧體中心站施工；

(2)九號線奧體中心站東側基坑近接二號線奧體中心站施工；

(3)九號線奧體中心站附屬結構基坑近接二號線奧體中心站施工。

3 結構設計參數

(1)地鐵2號線奧體中心站

奧體中心站為島式站臺車站，有效站臺寬度12m，車站主體結構總長163.8m。車站為兩層三跨的箱型框架結構，標準段寬20.5m，結構頂板覆土厚度約3.5m，底板埋深約16.90m。結構各層板及梁、外側墻為C30防水混凝土。主體結構柱為C50混凝土。

(2)地鐵9號線奧體中心站東側基坑

奧體中心站九號線為三層站，二號線為二層站。車站采用兩端明挖三層，中間暗挖三層的結構形式。東側基坑深約25m，寬約28.5m，采用鉆孔灌注樁加鋼支撐的支護形式。東端明挖基坑臨近既有站，結構間最小距離約2.65m，最大距離6.78m。

(3)地鐵9號線奧體中心站換乘廳基坑

換乘廳采用明挖法施做，采用圍護樁+內支撐圍護體系，基坑深約25m。

(4)地鐵奧-奧區間下穿車站段

初期支護采用C25噴射混凝土，厚度350mm，格柵間距0.5m，隧道施工時對開挖范圍周邊2m土體進行深孔注漿加固；二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，頂、底板厚度800mm，側墻厚度700mm。

4 地質勘察情況

根據鉆探揭露，按照其沉積年代、成因類型及巖性，此范圍內自上而下的地層為：雜填土①-1、粉質粘土③-1-32、礫砂③-8-3、圓礫③-9-3、礫砂④-8-4、圓礫④-9-4等。其中③-1-32粉質黏土呈可塑狀態，分布基本連續，性質穩定；③-8-3礫砂、③-9-3圓礫、礫砂④-8-4、圓礫④-9-4基本呈帶狀連續分布，交錯沉積，均勻性較好。各地層參數如表1所示。

表1 巖土層力學參數表

勘察期間，本工點各勘察點在勘察深度內均遇見地下水，水溫11.5℃，地下水類型為第四系孔隙潛水，穩定水位埋深在13.0～15.2m。

5 施工方法

(1)地鐵九號線奧體中心站東側基坑及換乘廳基坑

奧體中心站主體結構為方形基坑，開挖時充分考慮時空效應，待圍護結構封閉，基坑內水位降低至基坑底面以下1m后，以“先中間后四角、對稱開挖、不超挖、及時支撐、噴錨迅速”為原則開始后及時架設腰梁及鋼支撐并進行噴混封閉。

(2)地鐵奧-奧區間下穿車站段

區間開挖采用CD工法，分左右2側共4塊開挖，每側采用上下臺階法施工，臺階長度為1倍開挖寬度；左右兩側洞室縱向拉開不小于10m以上間距。二襯澆注時，拆撐長度不得大于4m，增設臨時支撐。開挖前采用全斷面深孔注漿加固，加固掌子面前方16m范圍內的地層。區間隧道開挖時，沿縱向每1.5m設置一排千斤頂,每一個千斤頂斷面設置一臺移動液壓泵站。初支貫通后，立即施做二襯。千斤頂鎖死，保證千斤頂在二襯達到強度前始終發揮作用。區間下穿車站段施工工序如圖2～圖6所示。

6 模擬及分析

6.1 計算模型

采用Midas GTS軟件建立地層結構模型，對基坑開挖及區間下穿既有地鐵車站施工過程進行模擬，建立1∶1有限元模型，模型尺寸為89m×86m×35m。模型中各地層及結構材料參數按地勘提供資料選取。

6.2 計算假定

(1)采用彈塑性計算模型；

(2)采用均一地層，巖土體的變形是各向同性的；

(3)初始地應力的計算只考慮初始自重應力，未考慮構造應力；

(4)隧道開挖后土體應力瞬間釋放；

(5)隧道的受力和變形是平面應變問題。

6.3 模擬說明

模型尺寸為89m×86m×35m，包含二號線奧體中心站主體結構6～16軸部分、1號出入口、變電所、奧-奧區間、九號線奧體中心站東側基坑及附屬結構基坑。各巖土層均采用彈塑性模型，三維實體單元，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則；區間初期支護及基坑圍護樁采用彈性模型，實體單元；區間二襯、九號線奧體中心站及換乘廳結構、二號線奧體中心站及附屬結構、臨時支撐等采用彈性模型，板單元；梁、柱等結構采用彈性模型，線單元。模型側面邊界水平位移受到約束，底面邊界豎向位移受到約束。模型共計89046個單元。

7 計算結果分析

(1)施工過程車站沉降

二號線奧體中心站隨施工各階段沉降情況如表2所示。

表2 各階段沉降量統計表

二號線奧體中心車站最大沉降量為2.43mm。

(2)結構變形分析

三維計算模型中根據計算需要建立二號線奧體中心站的部分區域。模型中建立的區域如圖13所示。

區間下穿車站段下穿11～14軸的立柱。選取第11、13軸立柱繪制沉降時程曲線如圖14、圖15。

隨著區間隧道施工，各軸立柱逐漸產生沉降，第11軸、第13軸各階段沉降量如表2。

區間下穿車站開挖及初期支護的施工對各軸立柱產生的影響最為顯著，該階段沉降量均超過總沉降量的50%；拆除臨時支撐及施作二襯階段也會導致各軸立柱產生沉降，該階段沉降量均超過總沉降量的20%；車站東側基坑及換乘廳基坑施工階段對各軸立柱影響相對較小。

表2 各階段沉降量統計表(單位：mm)

二號線奧體中心站縱向C軸最終沉降情況如圖16所示。

二號線奧體中心站沉降量相對較大的區域主要集中在區間下穿車站區域(即10～15軸區域)，區間下穿車站施工對二號線奧體中心站影響明顯。

8 結語

(1)二號線奧體中心站結構最大沉降為2.43mm，結構受奧-奧區間施工影響明顯，東側基坑及換乘廳基坑施工對二號線奧體中心站結構沉降影響相對較小。主體結構最終水平位移在-0.4～0.1mm之間，結構水平位移相對較小。

(2)區間下穿車站開挖及初期支護的施工對各軸立柱產生的影響最為顯著，該階段沉降量均超過總沉降量的50%；拆除臨時支撐及施作二襯階段也會導致各軸立柱產生沉降，該階段沉降量均超過總沉降量的20%，二號線奧體中心站沉降量相對較大的區域主要集中在區間下穿車站區域(即10～15軸區域)，此階段為工程重點控制階段。

(3)目前沈陽地鐵九號線奧體中心站及奧-奧區間已順利完成施工并正常運營，施工期間沈陽地鐵二號線奧體中心站正常運營。對下穿既有車站施工的區間采用分塊施工，及時頂撐的方式能夠有效控制既有車站沉降。