新建地鐵附屬結構施工對既有地鐵結構的影響研究

關鍵詞：地鐵附屬結構；既有地鐵；Midas-GTS；變形控制；運營安全

中圖分類號：U451；U231；TU753文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）13-0071-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.014

Study on the Impact of New Metro Ancillary Structure Construction on Existing Operational Metro Structures

WANG Yuanliu1GE Xinhu'YI Lingbing1 ZHANG Peng2NI Hanjie2DENG Kangkang2 （1.Zhengzhou Urban Construction Vocational College， Zhengzhou 45oooo，China; 2.China Railway Tunnel Bureau Group （Shanghai） Special High-Tech Co.，Ltd.， Shanghai 2013O6， China）

Abstract： [Purposes] Study the impact of constructing of new metro ancillarg structures on existing operatonal metro structures.[Methods] Taking a specific metro project as a case study，a three-dimensional numerical calculation model was established using the numerical simulation software Midas GTS to simulate the construction process of new entrances and connecting channels.The deformation patterns and stress variation in the existing metro structure caused by the construction of new metro entrances and connecting channels were analyzed.[Findings] During the construction of new metro ancillary facilities， the maximum vertical defor mation of the existing metro station structure and tunnel segment structure was 0.27mm and 0.03mm respectively，both below the vertical deformation control value of O.3 mm; during the construction process，the maximum horizontal deformation of the existing metrostation structure was 0.19mm ，and the maximum horizontal deformation of the existing tunnel segment structure was 0.04 mm;the maximum differential settlement in the track area reached 0.13mm at Deformation Joint No2. After the completion of construction，the maximum and minimum principal stresses of the existing metro station structure reduced by O.42 MPa and O.34 MPa respectively，and the maximum and minimum principal stresses of the tunnel segment structure reduced by O.O6 MPa and O.O1 MPa respectively. [Conclusions] The deformationand stress variations caused by construction are both below the limit values.The accuracy of the model was verified by comparing the numerical calculation results with the field monitoring data.The research results can provide reference for the design and construction of similar projects.

Keywords： metro accessory structures; existing metro; Midas-GTS； defor mation control; operational safety

0 引言

隨著我國城市化進程的加速，地鐵網絡逐步加密，新建地鐵線路與既有線路的空間交叉問題日益突出。尤其在密集的城市建成區，新建地鐵附屬結構（如出入口、接駁通道）施工常與既有地鐵結構產生近距離交互作用，可能引發土體擾動、地下水位變化及荷載重分布，進而威脅既有結構的穩定性與運營安全。陶暢等1采用Midas軟件進行建模，利用錨桿間距、直徑及錨索長度等參數設計單因素優化方案，提出“護坡樁 + 對拉錨桿 + 斜拉錨索 + 注漿”聯合支護體系，解決了既有地鐵附屬結構鄰近深基坑的支護難題，并通過工程實例驗證了方案的合理性。周磊等以西安市某新建地下通道上跨既有地鐵區間隧道為工程背景，研究了新建通道土體預加固及開挖回填對既有地鐵區間隧道支護結構變形與受力的影響。肖抗等3以鄭州市某新建隧道明挖段和暗挖段施工為例，采用有限元軟件MidasGTS建立數值計算模型，分析了新建隧道施工對既有地鐵隧道的變形影響規律。寇鼎濤等4采用數值模擬計算的方法，對新建地鐵車站附屬結構多次鄰近或下穿既有地鐵的安全性影響進行了研究。張杰5依托實際工程，重點分析了暗挖凍結施工過程中凍脹作用引發上部既有地鐵結構變形的機理，并提出了相應的保護措施。郭景琢等依托實際工程，采用有限元數值計算模擬的方法，研究相鄰深基坑在不同協同施工方案工況下對既有地鐵結構的變形影響。文海濤等以廣州某基坑工程為例，建立三維數值計算模型，研究了基坑開挖對相鄰小凈距地鐵隧道結構的受力和變形的影響。孫立柱等8通過數值模擬的方法研究了地鐵站風道施工對鄰近既有建筑沉降的影響，并對比分析了洞內注漿加固和洞外隔離柱加固措施對既有建筑沉降的影響。于清平等以實際工程為背景，采用有限元軟件建立數值計算模型，研究了鄰近既有地鐵結構的基坑開挖對地鐵結構的變形和內力影響。胡瑞青等以成都某鄰近既有地鐵結構的基坑工程為背景，采用有限元數值模擬分析了基坑側方地鐵交叉隧道及車站的變形特性及受力變化。杜明芳等\"以鄭州某下穿通道工程為背景，采用數值模擬的方法分析了頂管及基坑施工過程對既有地鐵隧道的變形影響。針對新建工程對既有地鐵結構影響的研究成果較為豐富，而針對新建地鐵附屬結構施工對既有地鐵結構的影響研究較少。

本研究以某地鐵工程項目為背景，采用數值模擬軟件MidasGTS對新建地鐵出入口及接駁通道施工過程進行數值模擬計算，并結合現場監測數據進行驗證，系統分析新建地鐵附屬結構施工對既有地鐵結構的變形及力學影響規律，并提出風險控制建議，以期為相似工程的安全設計提供一定的參考。

1工程概況

某地鐵工程項目地鐵站位于十字路交叉口，為地下島式車站，總長 497m ，標準段寬度為 21.3m 底板埋深 23m 。車站共設5個出入口、4組風亭及1～6號接駁通道。新建配套設施出入口采用明暗挖結合工法，下穿道路段為暗挖施工（寬 8～10m ，覆土厚 6～7m ），其余為明挖施工；接駁通道采用明挖法施工（寬 4～6m ，覆土厚 0～7m ）。新建結構與既有車站最小水平凈距為 4.5m ，基底距區間隧道拱頂 9m 。

2數值模型的建立

2.1模型的建立及分析步設置

采用有限元軟件MidasGTS建立地層一結構三維數值計算模型，考慮到施工過程中的空間效應，對新建配套出入口、接駁通道暗挖及明挖段區域進行實體建模，車站與鄰近區間單獨建模。三維地層一結構數值計算模型如圖1所示。為了確保三維模型有足夠的計算精度并盡量減少收斂時間，本次計算對模型范圍做出了一定的限定，車站及區間兩側邊界土體取 45^° ，影響線外放 15m 并與 30m 影響線取包絡，模型東西向長度取 150m ，南北向寬度取 300m ，垂直從地表以下取 50m 。采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面。4個側面地層邊界限制水平位移，下部邊界限制豎向位移，地面超載取 20kPa 。

圖1地層一結構數值計算模型（單位：m）

新建配套設施出入口結構采用暗挖 + 明挖法施工，1～6號接駁通道采用明挖法施工，計算程序首先計算原始地應力，巖土體的開挖是在前一計算步驟所得地應力分布的基礎上進行的，根據結構整體剛度的改變，按實際開挖方法施加地層釋放荷載，并求解開挖后的應力場。各計算模型施工計算模擬工況見表1。

表1出入口及接駁通道施工計算模擬工況

2.2計算參數的選取

本研究采用不同的本構模型模擬不同的材料，對于混凝土材料采用線彈性模型，而各層土體采用修正莫爾-庫侖模型。土層、基坑及暗挖段、地鐵區間采用三維實體單元。既有地鐵站車站主體及1號風亭結構采用二維板單元模擬。在深度為 50m 的模型范圍內，參考工程地質勘探鉆孔資料，并參考相關文獻，選取模型土體材料物理力學參數，具體見表2。

表2模型土體材料的物理力學參數

3計算結果分析

3.1既有結構豎向變形

根據數值模擬結果繪制既有地鐵結構豎向變形最大值變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，不同施工階段對既有地鐵結構豎向變形呈現差異性影響： ① 出入口明、暗挖施工期間，既有地鐵車站結構最大上浮量分別為 0.04mm 和 0.07mm ，既有區間隧道變形量穩定在 0.01mm ② 接駁通道施工導致結構變形模式反轉，既有地鐵車站最大下沉量達-0.08mm ，既有區間隧道下沉量增至 -0.01mm ：③ 側墻開洞施工誘發顯著上浮響應，既有地鐵車站最大上浮量激增至 0.27mm ，既有區間隧道變形仍保持 0.03mm 以內； ④ 土方回填階段結構趨于穩定，既有地鐵車站結構上浮量回落至 0.13mm 。施工過程中，接駁通道及側墻開洞施工對結構變形影響最為顯著，但所有豎向變形量均控制在 0.3mm 以內。

3.2 既有結構水平變形

根據數值模擬結果繪制既有地鐵結構的水平變形最大值變化曲線，如圖3所示。由圖3可知，不同施工階段對既有地鐵結構水平變形呈現階段性的影響： ① 出入口明、暗挖施工階段，既有地鐵車站結構水平變形最大值為 0.07mm ，既有地鐵區間結構水平變形穩定在 0.02mm ② 接駁通道施工階段，結構變形呈微量增長，既有地鐵車站和區間隧道水平變形最大值分別達 0.07mm 和 0.03mm ③ 側墻開洞及土方回填階段引發顯著水平偏移，車站與商業分界處地下一層側墻出現極值 0.19mm （朝向基坑開挖方向），區間變形量仍低于 0.04mm 。研究表明，側墻開洞與接駁通道施工是水平變形的主控因素，但所有階段變形量均未超過 0.2mm 。

圖2既有地鐵結構豎向變形最大值曲線

圖3既有地鐵結構水平變形最大值曲線

3.3變形縫差異變形

本研究選取既有地鐵車站結構不同位置點的變形縫的差異變形進行統計分析，變形縫的選取位置如圖4所示，不同工況下變形縫的差異沉降變化曲線如圖5所示。

由圖可5知，新建工程對地鐵既有結構變形縫的變形效應未產生顯著影響。各變形縫兩側差異沉降量均控制在 0.5mm 范圍內，其中軌行區差異沉降最大值出現在變形縫2處，其鄰近底板支座的豎向差異變形量達 0.13mm 。

圖4變形縫選取位置

3.4既有結構應力分析

本研究根據數值模擬結果繪制既有地鐵結構的最大主應力最大值變化曲線，如圖6所示。既有地鐵結構的最小主應力最大值變化曲線，如圖7所示。

計算結果表明，在施工過程中，結構應力呈現小幅可控變化。其中，車站主體結構最大主應力由 8.86MPa 降至 8.44MPa ，降幅為 0.42MPa ;最小主應力由 -11.02MPa 升至 -10.68MPa ，升幅為 0.34MPa □區間結構最大主應力從 3.25MPa 降至 3.19MPa （降幅為 0.06MPa ），最小主應力由 -3.90MPa 升至-3.89MPa（升幅為 0.01MPa ）。

4控制標準及監測數據

4.1 施工控制標準

本研究根據國內其他城市軌道交通建設及運營經驗，結合數值分析和工程實際特點，在既有結構預測變形值、結構驗算應力的基礎上，考慮一定的安全裕度，確定既有車站及附屬結構和軌道變形控制指標，見表3。

圖5既有結構變形縫處的差異沉降

（b）區間隧道

（a）地鐵車站

圖6既有結構最大主應力變化曲線

圖7既有結構最小主應力變化曲線

表3變形控制標準

注：橫向變形包括“X方向”和“Y方向”，豎向變形包括上浮和沉降。

4.2實際工程監測數據

既有地鐵車站結構現場實際監測數據與數值計算結果對比如圖8所示。由圖8可知，整個施工過程中，既有地鐵車站結構豎向變形和水平變形最大值分別為 0.24mm （隆起）和 0.18mm ，均小于監測變形控制值。通過對比數值計算結果和施工監測數據可知，新建地鐵附屬結構施工過程中既有地鐵車站結構的變形監測數據變化趨勢與數值計算結果變化趨勢基本吻合，模型準確性較好。

5結論

本研究以某地鐵工程項目為背景，采用數值模擬軟件MidasGTS對新建地鐵出入口及接駁通道施工過程進行數值模擬計算，結合現場監測數據進行驗證，系統分析新建地鐵附屬結構施工對既有地鐵結構的變形及力學響應規律，得出以下結論。

① 在新建地鐵配套出入口施工過程中，既有地鐵結構產生輕微上浮，車站結構最大豎向變形為0.07mm ，區間結構豎向變形影響較小，最大豎向變形為 0.01mm ;隨著接駁通道的施工，既有結構上浮逐漸增大，接口施工完成后，車站結構最大上浮變形為 0.27mm ，區間結構豎向變形影響較小，最大豎向變形為 0.03mm 。

② 在新建地鐵附屬結構施工過程中，既有地鐵車站結構產生最大水平變形為 0.19mm ，最大變形部位位于車站與商業分界處地下一層側墻向基坑開挖方向，既有區間結構水平變形影響較小，最大水平變形為 0.04mm 。

③ 軌行區差異沉降最大值出現在變形縫2處，其

圖8監測值與模擬值對比

鄰近底板支座的豎向差異變形量達 0.13mm 。

④ 隨著施工過程的進行，該工程施工引起的車站主體結構最大主應力由 8.86MPa 降至 8.44MPa 最小主應力由 -11.02MPa 降至 -10.68MPa ;區間結構最大主應力由 3.25MPa 降至 3.19MPa ，最小主應力由 -3.90MPa 降至 -3.89MPa ，結構應力變化較小，均不超過 0.5MPa 。

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