新建地鐵車站密貼下穿既有車站暗挖施工方案綜合比選分析

關鍵詞：密貼下穿；施工方案；層次分析法；有限元分析法；PBA工法中圖分類號：U231.3 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.057文章編號：1673-4874（2025）03-0203-04

0 引言

地鐵具有快捷、便利、運輸量大的優勢，能夠極大緩解城市公共交通壓力。為了實現不同地鐵線路的站點的交匯，立體式車站建設正成為地鐵規劃修建的一大趨勢，在進行立體車站修建時，最重要的就是要確保新建車站施工對既有車站正常運營和安全穩定的影響最小1]。然而，隨著地鐵線路的逐漸增多，面臨的施工環境也越來越復雜，如何保證既有車站的安全穩定成為當下關注的熱點。

明挖、蓋挖、盾構、暗挖等均是地鐵車站修建常用的方法，然而面對復雜的城市環境，暗挖施工法仍是首選，中洞法、側洞法、柱洞法、PBA等是目前地鐵車站淺埋暗挖施工的常用方法2。鄭龍超等3采用數值模擬方式，研究了地鐵車站洞樁法施工擴挖并行下穿既有建筑物的施工影響，結果表明在綜合采用超前大管棚、臨時立柱支撐體系、7導洞分部開挖以及人工挖孔灌注樁等技術措施的前提下，可以將沉降變形控制在合理范圍。吳寶華4以北京地鐵6號線和16號線為例，對上穿既有結構中洞暗挖施工過程中的變形進行了分析，認為在中洞開挖與扣拱開挖施工過程中需要嚴加注意，必要時采取加固措施。寇鼎濤等[5對新建地鐵車站附屬結構多次臨近或下穿既有地鐵的安全性影響進行了研究，并提出了一系列施工和防護措施，通過這些措施可以大大降低變形量。楊鳳梅等以成都新建地鐵19號線為例，提出采用分段法施工技術，對既有車站的結構變形、承載力和裂縫進行控制。雖然上述研究對于工程實踐起到了一定的指導作用，但是針對密貼下穿的研究仍顯不足，尤其是沒有從安全性、適用性和經濟性等諸多方面進行綜合考慮。

本文以某新建地鐵車站密貼下穿既有車站暗挖施工為例，采用理論分析 + 數值模擬方式，對比了多種施工方案，相關經驗可為類似工程提供借鑒。

1工程概況

1.1工程簡介

某新建地鐵車站主體結構設計為三跨結構，采用暗挖法施工，結構主體包括站廳層及站臺層兩層，車站下穿既有地鐵車站，新建車站與既有車站之間的夾角為 70^° =下穿段全長為52m，頂板距地面距離為 11.64m ，開挖斷面尺寸為23.5m，新建車站與既有車站之間的最小間距僅為0.45m，既有車站頂板與地表距離為 6.7m，4 跨開挖斷面尺寸為 6.45m×17m，5 跨開挖斷面尺寸為6.45 m×21m 新建車站在穿越施工時對原有地層，尤其新建車站密貼下穿既有車站修建，對于既有車站穩定性會產生較大影響，對既有車站影響范圍達 64m

1.2 工程及水文地質

新建車站頂板和底板埋深分別為 11.64m 和27.03m ，主要位于第四紀晚更新世沖洪積卵石地層中。卵石密實度為中密一密實，濕度為濕一飽和，壓縮性低，無黏聚性，卵石中充填有中粗砂，地層不穩定。由于工程地下水位于新建車站底板下約11m處，故無須考慮地下水影響。

1.3工程風險及施工重難點

工程本身風險等級為1級，周邊環境風險等級為特級。由于既有車站底部為水平結構，為減少新建車站頂板截面不均勻性對既有車站產生不均勻變形影響，新建車站的頂板也必須設計為直墻結構，因此開挖方法選擇對于新建車站安全施工，從而確保既有車站及周邊地層變形和受力在可控范圍之內是該工程最大的施工重難點。

2地鐵暗挖常用方案對比

常用的地鐵暗挖施工方法包括CD法、CRD法、中洞法、側洞法、柱洞法及PBA工法等，由于本工程地層圍巖相對一般，采用CD或者CRD法分塊較多，只能采取小型機械或者進行人工開挖，臨時支撐試做和拆除十分困難，不僅工序復雜，而且進度緩慢，難以滿足施工工期要求，故而針對中洞法、側洞法、柱洞法及PBA工法進行方案對比，這些方法的核心思想均是采用分塊施工，減少對既有車站和周圍地層的擾動。4種施工方案對比如表1所示。

3基于層次分析法的施工方案優選

3.1指標體系構建

考慮施工安全性、適用性和經濟性三個方面因素，施工安全性選取地表沉降、施工安全度兩個評價指標，施工適用性選取斷面利用率、施工環境和受力條件三個評價指標，施工經濟性選取廢棄工程量、造價兩個評價指標。邀請業內專家對4種施工方案的各個評價指標進行評價，結果見表2。

3.2基于不同目標指標的方案優選

根據專家評價情況，引入 1～9 的標度對評價結果進行量化，分別建立7個評價指標構造判斷矩陣。首先根據單個評價指標的判斷矩陣，對每個評價指標的層次單排序進行計算，即先把判斷矩陣每一行進行相加，得到 ，再計算 V_i 的相對權重 ω_i=V_i/ΣV_i ，從而得到7個評價指標的在以不同控制目標下的權重向量 ω （見表3）。

根據施工經驗，施工單位在進行施工時，要么以施工安全控制為主角度決策，要么以施工造價控制為主角度決策。當以施工安全控制為首要目標時，各指標的優先順序為：施工安全度 gt; 地表沉降 gt; 廢棄工程量及造價 gt; 受力條件及斷面利用率 gt; 施工環境。當以施工造價控制為首要目標時，各指標的優先順序為：施工安全度 gt; 廢棄工程量及造價 gt; 地表沉降 gt; 受力條件及斷面利用率 gt; 施工環境。分別構建兩種目標指標下的判斷矩陣，對兩種目標下的判斷矩陣進行一致性檢驗，CR檢驗結果均 lt;0.1 ，滿足一致性檢驗標準。同理，對兩種目標情況下的判斷矩陣進行求解，求解方法同上。結果見表4和表 5

將計算得到的不同施工方案權重值分別與對應控制目標下的權重值相乘后，再分別對每一種施工方案的乘積相加，便可得到該種施工方案的重要性權重值，最終得到兩種目標下的層次總排序結果，見圖1。由圖1可知：當以施工安全控制為目標時，4種施工方案的層次排序為：PBA工法 gt; 柱洞法 gt; 側洞法 gt; 中洞法；當以施工造價控制為目標時，層次排序為：PBA工法 gt; 側洞法 gt; 柱洞法 gt; 中洞法。無論是基于安全還是造價為目標，PBA工法均是最優選擇，因此采用層次分析法計算時，宜優選PBA工法進行施工。

4基于有限元的施工方案優選

4.1數值模型的構建

在構建模型之前，作如下假設：（1）工程區地層符合修正摩爾-庫侖本構模型，車站結構符合彈性本構模型；（2）施工過程中僅考慮自重影響，暫不考慮地下水的影響；（3圍巖與車站主體結構的變形均在彈塑性變形范圍內；（4）周圍地層均為水平、均質和各向同性的。

整個模型的橫向尺寸取開挖斷面的3倍，縱向尺寸取洞身長度的2倍，開挖方向取實際長度的1.5倍，即模型總體尺寸取值為 150m×90m×60m 土體采用六面體單元，初期支護、中板采用板單元，邊樁、鋼管柱采用梁單元。建立的4種施工方案的模型中，中洞法、側洞法、柱洞法和PBA工法的單元數量分別為53269、50039、42282和50887個。模型地層數據按照現場地質勘察實測選取，初期支護、二次襯砌、樁、柱、梁等彈性模量按照2 2～3.25×10⁴MPa 設置，泊松比均為0.2，超前注漿彈性模量為50 MPa ，泊松比為0.23。構建的數值模型如圖2所示。

4.2施工步驟設定

中洞法施工分為6個步驟：中洞開挖-底頂縱梁、柱施作-側洞開挖-底板施作-側墻施作-頂板施作。側洞法施工分為7個步驟：側部導洞開挖-冠梁、鋼管柱、條形基礎施作-側洞底板施工-側墻施工-側洞施工→中洞開挖-施工完成。柱洞法施工分為7個步驟：中側部導洞開挖-冠梁、條形基礎、鋼管柱施作-部分中板施作-側部導洞開挖-底板施工-側墻施工-頂板施工。PBA工法施工分為5個步驟：導洞開挖-縱梁、冠梁、邊樁和鋼管柱等施作-二襯扣拱施工-上側墻及中板施工-下側墻及底板施工。

4.3模擬結果分析

4.3.1地表沉降對比

不同施工方案下地表最大沉降和拱底最大隆起變形量對比如圖3所示。由圖3可知：4種施工方案下，側洞法的地表沉降和拱底隆起量最大，分別達到15. 46mm 和4mm，PBA工法的地表沉降和拱底隆起量最小，分別僅為 ，從控制地表沉降和變形方面考慮，宜優先選擇PBA工法。

1816 15.46 地表沉降值//m 412 12 拱底隆起10.8108 7.564 自2 22 0 8中洞法 側洞法柱洞法 PBA工法施工方案

4.3.2支護結構位移及受力對比

不同施工方案下支護結構位移和受力情況模擬結果如表6所示。由表6可知：4種施工方案下，中洞法的最大隆起量和最大沉降量最大，分別達到5.56mm和23.84mm ，側洞法的最大主應力、剪切應力和MISES應力最大，分別為19441.4kPa、9766.2kPa和20894kPa，PBA工法施工方案下，支護結構的位移和受力在4種方案下均為最小，故從支護結構位移和受力情況考慮，也宜優選PBA工法。

4.3.3既有車站結構變形對比

不同施工方案下既有車站后側墻變形值對比如圖4所示。由圖4可知：4種施工方案下，既有車站后側墻變形量大小排序為：側洞法 gt; 中洞法、柱洞法 gt; PBA工法，說明PBA工法對既有車站的影響最小，故宜優先選擇PBA工法進行施工。

4.3.4圍巖應力與塑性區對比

不同施工方案下圍巖最大主應力和塑性區對比如表7所示。由表7可知：無論是圍巖最大主應力，還是最大塑性區半徑，亦或是最大塑性應變值，PBA工法施工方案均為最小，PBA工法對于圍巖擾動的影響最低，從控制圍巖擾動而言，也應該優選PBA工法。

5結語

本文基于新建地鐵車站主體結構密貼下穿既有地鐵車站情況，初選中洞法、側洞法、柱洞法及PBA工法作為車站的備選施工方案，采用層次分析法和有限元分析法對4種施工方案進行了比選，結果表明：無論是基于安全還是造價為目標，PBA工法均是最優選擇，PBA工法在控制地表沉降和變形、抑制支護結構位移和受力、降低對既有車站結構影響和對圍巖擾動等方面均優于其他3種施工方案，故本工程應優選PBA工法施工。 ⑦

參考文獻

[1]田江濤，王子杰.新建車站采用PBA法密貼下穿既有車站施工時對既有車站結構變形的影響規律J].城市軌道交通研究，2024，27（6）：196-201，206.

[2]朱黎黎.淺埋暗挖法在地鐵施工中的應用[J].工程機械與維修，2023（2）：200-202

[3]鄭龍超，李明，潘伍，等.地鐵車站洞樁法施工擴挖并行下穿既有建筑物的施工影響[J].城市軌道交通研究，2024，27（6）：136-141.

[4]吳寶華.暗挖拓建地鐵車站對上穿既有結構的影響研究J].鐵道建筑技術，2023（1）：55-58，96

[5]寇鼎濤，馬龍，白曉鶴.新建地鐵車站附屬結構多次臨近或下穿既有地鐵的安全性影響研究[J].市政技術，2023，41（11）：118-122.

6楊鳳梅，葉至盛.成都地鐵19號線天府商務區站矩形斷面礦山法零距離下穿既有車站施工方案J.城市軌道交通研究，2022，25（12）：171-176.

收稿日期：2024-11-10