新建地鐵車站施工對既有地鐵車站的影響研究

祁小龍

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300350）

1 引言

隨著地下空間開發(fā)范圍逐漸擴大，臨近既有運營地鐵車站開發(fā)新站的情況屢見不鮮。曾遠(yuǎn)等[1]采用ANSYS有限元軟件，模擬上海張楊路地鐵車站基坑開挖對在運營車站的變形影響，建立車站側(cè)向變形最大值與源頭變形及車站間距的估算式。姚燕明等[2]總結(jié)深基坑與既有車站共用地下連續(xù)墻時，深基坑開挖過程中既有車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律。在基坑開挖影響范圍方面，Tan等[3]通過廣泛的現(xiàn)場儀器測試結(jié)合數(shù)值模擬，研究鄰近蘇州地鐵1號線車站超大型深層開挖對地鐵站的影響。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，基坑開挖對車站的影響范圍不超過2倍基坑開挖深度。李志高等[4]針對平行換乘車站的研究結(jié)果表明，大剛度地鐵車站的存在對基坑變形的遮攔作用減小支護結(jié)構(gòu)的變形，并且隔斷坑周土層的位移傳遞路徑，使得土體位移場發(fā)生變化，促使地下建筑物背向基坑方向傾斜。

另外，基坑施工方式的不同也會對臨近的既有建筑產(chǎn)生不同影響。吳航[5]采用PLAXIS 3D有限元軟件模擬超深基坑施工，研究分區(qū)施工對既有車站的影響，結(jié)果表明，基坑的分區(qū)施工方式會對其自身及既有車站結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生較大影響。張俊赟等[6]的研究表明在基坑開挖范圍內(nèi)，地鐵結(jié)構(gòu)受到臨近基坑開挖的影響，在基坑中部產(chǎn)生的拱起位移較大。周丁恒等[7]在分區(qū)施工方案的基礎(chǔ)上，將近地鐵區(qū)域內(nèi)分區(qū)與分層施工順序進行優(yōu)化，提出一系列對臨近地鐵的保護措施。

此外，對于近距離施工新措施方面的研究近年來也有所發(fā)展。如劉露超[8]研究新建車站下穿既有線的技術(shù)方案，針對合肥市某下穿既有線的暗挖地鐵車站工程，比選出工程暗挖段的結(jié)構(gòu)體系選型和施工工法。李積棟等[9]為了控制既有車站底板的沉降提出平頂直墻CRD（交叉中隔墻法）+多重預(yù)頂撐的新工法并成功應(yīng)用。

在新建車站下穿既有運營車站方面，何海健等[10]在分析國內(nèi)工程案例的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)現(xiàn)有的穿越技術(shù)措施。采用預(yù)埋樁基措施進行近距離下穿盾構(gòu)施工可以有效控制既有車站的變形，滿足沉降控制要求。許有俊等[11]在此基礎(chǔ)上分析預(yù)埋樁基的變形機制、樁基不同設(shè)計參數(shù)對既有車站變形控制的影響。王旭聲等[12]的研究結(jié)果表明，盾構(gòu)下穿施工過程中，既有車站的結(jié)構(gòu)豎向、橫向變形逐漸增大，增加幅度逐漸減小，當(dāng)盾構(gòu)下穿至結(jié)構(gòu)側(cè)墻位置時，車站結(jié)構(gòu)變形幅度最大。殷一弘[13]等采用現(xiàn)場實測與有限元模擬結(jié)合的方法，對臨近地鐵車站基坑采取分區(qū)開挖方式的影響方面進行了分析。

文章依據(jù)蘇州地鐵8號線某新建車站距離既有地鐵車站最近處僅12.5 m，施工過程中造成擾動勢必會使周圍土體產(chǎn)生變形，進而導(dǎo)致臨近既有車站產(chǎn)生剛體位移和變形。為確保乘客的安全及既有線路的正常運營，開展新建地鐵車站對既有地鐵車站開挖影響研究非常必要。

2 工程簡介

既有地鐵車站與蘇州地鐵8號線某新建車站深基坑的平面尺寸及相對位置如圖1所示，新建車站與既有車站地連墻相距最近處僅12.5 m。

圖1 平面布置圖（單位：m）

既有車站為地下二層三跨框架結(jié)構(gòu)，底板埋深17.7 m。新建地鐵車站為三層三跨框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為26.3 m，兩側(cè)端頭井基坑深度為27.6 m。車站主體采用明挖法施工，中部設(shè)置立柱樁兼做抗拔樁，有效樁長35 m。圍護結(jié)構(gòu)地連墻厚1 m，埋深 50.8 m。

深基坑標(biāo)準(zhǔn)段豎向設(shè)置6道支撐及1道換撐。其中第1、4道為鋼混支撐，第1道支撐截面尺寸為800 mm×1 000 mm，第4道截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm；第2、3、6道為Φ609 mm鋼管支撐，管壁厚16 mm，第5道為Φ800 mm鋼管支撐，管壁厚20 mm；換撐采用Φ609 mm鋼管支撐，管壁厚16 mm。

端頭井豎向設(shè)置7道支撐及1道換撐。第1至5道支撐、換撐尺寸與標(biāo)準(zhǔn)段一致，第6、7道鋼管支撐尺寸為Φ800 mm，管壁厚20 mm。

根據(jù)詳勘地層資料，車站場地土地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

3 計算理論與計算模型

3.1 計算模型

采用MIDAS GTS/NX有限元軟件建立三維模型，計算模型長450 m，寬350 m，深70 m。模擬范圍覆蓋既有車站及新建車站深基坑，如圖2所示。模型側(cè)面和底面設(shè)置位移邊界，四周設(shè)置法向水平位移約束，底部設(shè)置X、Y、Z方向的位移約束，頂部為自由表面。選用修正Mohr-Coulomb模型模擬土體本構(gòu)。參數(shù)切線剛度取表1中壓縮模量ES，割線剛度卸載彈性模量采用一維梁單元模擬梁、柱、支撐、立柱樁、格構(gòu)柱、冠梁、聯(lián)系梁，采用二維板單元模擬地連墻、角撐、車站側(cè)墻及頂中底板，土層采用三維實體單元進行模擬。

圖2 模型示意圖

3.2 計算模擬過程

模擬施工過程分為開挖階段和回筑階段。設(shè)置新建車站深基坑分6步開挖，分3步回筑。主要計算步驟為：①施作深基坑地連墻、抗拔樁和格構(gòu)柱；②基坑開挖第一層土的厚度為3.00 m，施作冠梁及第1道混凝土支撐；③基坑開挖第二層土的厚度為6.35 m，施作第 2道鋼管支撐；④基坑開挖第三層土的厚度為2.85 m，施作第3道鋼管支撐；⑤基坑開挖第四層土的厚度為5.5 m，施作腰梁及第4道混凝土支撐；⑥基坑開挖第五層土的厚度為3.5 m，施作第5道鋼管支撐；⑦基坑開挖第六層土的厚度為7.0 m，施作第6道鋼管支撐；⑧ 拆除第5、6道支撐，回筑車站負(fù)三層結(jié)構(gòu)；⑨拆除第3、4道支撐及腰梁，回筑車站負(fù)二層結(jié)構(gòu)；⑩拆除第1、2道支撐，拆除冠梁和格構(gòu)柱，回筑車站負(fù)一層結(jié)構(gòu)。

4 計算結(jié)果分析

4.1 深基坑施工周圍地表位移分析

深基坑開挖第六層（步驟⑦）和回筑車站負(fù)一層（步驟⑩）時周圍地表的位移云圖如圖3所示，圖中標(biāo)注了地表最大沉降值、最大隆起值及二者的相應(yīng)位置。

圖3 地表位移云圖（單位：mm）

結(jié)果表明，隨著基坑開挖深度增加，地表沉降范圍逐漸擴大。開挖一、二層土，最大沉降出現(xiàn)在基坑邊緣處，隨基坑開挖推進，最大沉降處逐漸遠(yuǎn)離基坑。開挖階段基坑周圍地表沉降情況如圖4所示。回筑階段地表沉降值呈緩慢增加趨勢。模擬結(jié)果顯示，施工過程最大沉降出現(xiàn)在距離基坑16.3 m的位置，最大沉降量為19.533 mm。經(jīng)分析可知，開挖第一層至開挖第四層，施工對周圍土體的擾動以沉降范圍擴大為主，表現(xiàn)為最大沉降處逐漸外移。開挖第一層到開挖第二層最大沉降處外移3.3 m；開挖第二層到開挖第三層最大沉降處外移3.3 m；開挖第三層到開挖第四層最大沉降處外移6.5 m。隨后各施工階段對周圍土體的擾動以沉降量增加為主。開挖第四層到開挖第五層地表沉降從13.809 mm增大到14.246 mm，增大0.437 mm；開挖第五層到開挖第六層地表沉降從14.246 mm增大到16.713 mm，增大2.467 mm；開挖第六層到覆土地表沉降從16.713 mm增大到19.533 mm，增大2.82 mm。

圖4 開挖階段地表沉降規(guī)律圖

4.2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試分析對比

新建車站深基坑周圍部分地表沉降觀測點的平面布置如圖5所示。隨著施工推進DB8-3觀測點沉降量累計曲線如圖6所示。施工荷載持續(xù)擾動土體使得DB8-3測點處地表沉降值呈現(xiàn)波動下降趨勢，后期沉降值穩(wěn)定于19 mm左右，這與計算值19.305 mm吻合程度較好。選擇地面沉降觀測點DB8-2、DB8-3、DB8-4、DB10-2、DB10-3、DB10-4、DB16-2、DB16-3、DB16-4，進行施工完成后計算值與現(xiàn)場實測值分析比較，如圖7所示。模擬計算與現(xiàn)場實測結(jié)果對比顯示，66.7%的測點處地表沉降計算與實測差值在20%以內(nèi)。針對工程采用的施工方法，數(shù)值模擬可以用于研究近接既有站深基坑開挖土體受力變形特征并進行施工優(yōu)化分析。

圖5 基坑監(jiān)測平面布置圖

圖6 測點DB8-3地表沉降變化圖

圖7 地表位移計算值與實測值對比圖

4.3 深基坑施工對既有車站側(cè)墻受力影響分析

深基坑開挖第六層（步驟⑦）和回筑車站負(fù)一層（步驟⑩）時既有車站側(cè)墻x方向應(yīng)力的分布如圖8所示。側(cè)墻應(yīng)力集中于靠近新建車站一端，此處選擇近端的一個截面具體分析其受力情況，截面位置見圖8。側(cè)墻采用的材料為C35混凝土，其軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為23.4 N/mm2，軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.20 N/mm2。由圖 8可知，既有車站負(fù)一層側(cè)墻應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力為1 778.821 kPa，遠(yuǎn)低于C35混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻與頂板銜接處；既有車站負(fù)二層以拉應(yīng)力為主，最大拉應(yīng)力為2 092.053 kPa，滿足混凝土軸心抗壓強度要求，側(cè)墻最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在負(fù)二層中部高度處。結(jié)果表明，在車站深基坑開挖回筑過程中，既有車站側(cè)墻滿足強度設(shè)計要求，但負(fù)二層側(cè)墻拉應(yīng)力處于較高水平，應(yīng)在施工時加強監(jiān)測并注意控制施工荷載對車站側(cè)墻的擾動。

圖8 既有車站側(cè)墻應(yīng)力云圖（單位：kN/m2）

4.4 深基坑施工對既有車站側(cè)墻位移影響分析

深基坑開挖第六層（步驟⑦）和回筑車站負(fù)一層（步驟⑩）時既有車站側(cè)墻沿y方向的位移如圖9所示。與平行車站位移規(guī)律[4]不同，文章所述的車站布置方式引起的土體位移場變化會促使既有車站靠向基坑方向傾斜。既有車站側(cè)墻與頂板連接處側(cè)移值最大，此處側(cè)移值隨深基坑開挖深度增加而減小，最大側(cè)移值出現(xiàn)在開挖第一層土?xí)r，最大側(cè)移量為1.764 mm，在開挖過程中側(cè)移量逐步減小為1.587 mm。回筑過程中，圖9既有車站側(cè)墻截面不同深度處的側(cè)移量如圖10所示。回筑過程最大側(cè)移量從1.677 mm逐漸增大為1.719 mm。既有車站側(cè)墻最小側(cè)移量位于側(cè)墻與底板連接處，深基坑開挖回筑過程中此處側(cè)移值從0.067 mm逐步增大為 0.121 mm。

圖9 既有車站側(cè)墻位移云圖（單位：m）

圖10 回筑階段既有車站側(cè)墻側(cè)移圖

4.5 深基坑施工對既有車站頂板位移影響分析

深基坑開挖第一層（步驟②）及回筑車站負(fù)一層（步驟⑩）時既有車站頂板豎向位移如圖11所示。基坑開挖回筑各步驟既有車站頂板位移變化如圖12所示。距基坑較遠(yuǎn)一端既有車站頂板稍有隆起，最大隆起值為0.037 mm。靠近基坑一端既有車站頂板位移表現(xiàn)為沉降，最大沉降值出現(xiàn)在深基坑第一層土開挖完成后，并且隨基坑開挖深度增加，既有車站頂板逐漸抬升，表現(xiàn)為沉降值減小。如圖12所示第一層土開挖車站頂板沉降值為3.161 mm，第六層土開挖完成沉降值減小為1.712 mm，減小45.8%。基坑回筑階段，既有車站頂板略有沉降，沉降量由1.863 mm增大為1.906 mm。

圖11 既有車站頂板位移云圖（單位：m）

圖12 開挖階段既有車站頂板位移變化圖

5 結(jié)論與建議

（1）開挖至基坑深度的2/3過程中，施工對周圍土體的擾動表現(xiàn)為沉降范圍擴大，最大沉降處逐步外移，最大沉降的位置距離基坑16.3 m；繼續(xù)開挖至坑底及回筑階段，對周圍土體的擾動以沉降量增加為主，最大沉降量為19.533 mm。

（2）新建車站施工過程中既有車站負(fù)一層側(cè)墻應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻與頂板銜接處；負(fù)二層側(cè)墻應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，且拉應(yīng)力處于較高水平，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在負(fù)二層中部高度處，建議施工時應(yīng)密切監(jiān)測。

（3）新建車站與既有車站近似正交，此種布置方式使得新車站施工時既有車站靠向基坑方向傾斜。既有車站側(cè)墻最大側(cè)移值位于頂板高度處，出現(xiàn)在開挖第一層土?xí)r，最大側(cè)移量為1.764 mm。側(cè)墻最小側(cè)移量位于與底板連接處。

（4）既有車站頂板距基坑較遠(yuǎn)一端稍有隆起，靠近基坑一端為沉降。基坑開挖第一層土?xí)r頂板沉降值最大，隨開挖深度增加，車站頂板逐漸抬升，開挖完成后沉降值減小45.8%；回筑階段既有車站頂板略有沉降。