福州軌道交通設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350001

0 前言

隨著我國(guó)城市地鐵快速發(fā)展，地鐵換乘站的建設(shè)越來(lái)越多，本文以先后施工的十字交叉換乘站為例分析基坑開(kāi)挖對(duì)既有地下車站的影響?；娱_(kāi)挖土體卸載導(dǎo)致基底土體回彈與基坑開(kāi)挖圍護(hù)變形導(dǎo)致外側(cè)土體沉降共同作用影響既有車站的變形與受力，通過(guò)計(jì)算模擬并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析出主要影響因素，同時(shí)參考其他類似工程［1］。

本文依據(jù)MIDAS/GTS 為平臺(tái)進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際施工情況劃分出關(guān)鍵步驟，通過(guò)建模分析換乘站后期基坑開(kāi)挖對(duì)既有車站的影響，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工給出具體的指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 工程概況

5 號(hào)線某某站（在建）與2 號(hào)線某某站（已運(yùn)營(yíng)）采用十字交叉，T 型換乘設(shè)置。2 號(hào)線某某站標(biāo)準(zhǔn)段為地下雙層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，底板埋深約15.8m；換撐節(jié)點(diǎn)為地下三層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，埋深約25m。5 號(hào)線某某站為地下三層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，基坑深約23.7m，基坑寬25.6m，基坑長(zhǎng)304m。基底為＜2-4-2＞淤泥質(zhì)土，車站主體基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)主要為雜填土、粗中砂，基坑底部主要為淤泥質(zhì)土、淤泥夾砂、粉細(xì)砂、卵石層、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。主體基坑采用1000mm厚連續(xù)墻+內(nèi)支撐圍護(hù)形式。具體如下圖：

圖1 5 號(hào)線某車站與2 號(hào)線某車站平面關(guān)系圖

圖2 5 號(hào)線某車站與2 號(hào)線某車站剖面圖

2 影響數(shù)值分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)表

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性質(zhì)表

2.2 模型假定條件

在計(jì)算分析之前，首先設(shè)置如下假定條件：

（1）地鐵車站結(jié)構(gòu)變形與該處土體變形一致的假設(shè)。地鐵結(jié)構(gòu)剛度與土體相差極大，實(shí)際情況下，結(jié)構(gòu)變形不會(huì)與土體變形保持一致，應(yīng)小于土體變形。但在小變形情況下，可以認(rèn)為兩者近似相同［2］。

（2）計(jì)算中不考慮地層的次固結(jié)及蠕變沉降，且不考慮地鐵車站結(jié)構(gòu)先期沉降量。

（3）計(jì)算中不考慮地下水及基坑施工地下水動(dòng)態(tài)變化的影響。僅考慮本次施工過(guò)程對(duì)車站結(jié)構(gòu)的變形影響。

2.3 有限元模型

根據(jù)既有2 號(hào)線某車站主體結(jié)構(gòu)位置與5 號(hào)線某車站基坑位置，采用MIDAS/GTS 軟件。建立三維彈塑性有限元模型進(jìn)行分析，如圖3、4、5、6 所示。模型尺寸為260m（沿2 號(hào)線某車站方向）×170m（沿5 號(hào)線某車站方向）×70m（土層厚度），本次三維數(shù)值模擬計(jì)算里，土體采用實(shí)體單元修正莫爾庫(kù)倫模型，車站頂板、中板、底板、側(cè)墻、地連墻和立柱樁采用平面單元，頂梁、中梁、支撐采用梁?jiǎn)卧?，下圖為計(jì)算模型。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分1

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分2

圖5 對(duì)稱開(kāi)挖模型

圖6 非對(duì)稱開(kāi)挖模型

對(duì)稱開(kāi)挖施工步序：5 號(hào)線某車站南北區(qū)基坑對(duì)稱分層開(kāi)挖，隨挖隨撐。根據(jù)基坑開(kāi)挖施工步序，分析施工對(duì)車站的影響分為5 個(gè)工況。初始工況為未開(kāi)挖時(shí)，架設(shè)第一道砼支撐，工況1 為開(kāi)挖至第二道支撐位置，架設(shè)第二道鋼支撐；工況2為開(kāi)挖至第三道支撐位置，架設(shè)第三道砼支撐；工況3 為開(kāi)挖至第四道支撐位置，架設(shè)第四道鋼支撐；工況4 為開(kāi)挖至第五道支撐位置，架設(shè)第五道鋼支撐；工況5 為開(kāi)挖至坑底。

非對(duì)稱開(kāi)挖施工步序：5 號(hào)線某車站先施工北區(qū)基坑后施工南區(qū)二期基坑，分層開(kāi)挖隨挖隨撐。根據(jù)基坑開(kāi)挖施工步序，分析施工對(duì)車站的影響分為10 個(gè)工況。初始工況均為未開(kāi)挖時(shí)，架設(shè)第一道砼支撐，工況1～5 為北區(qū)基坑開(kāi)挖：工況1 為開(kāi)挖至第二道支撐位置，架設(shè)第二道鋼支撐；工況2 為開(kāi)挖至第三道支撐位置，架設(shè)第三道砼支撐；工況3 為開(kāi)挖至第四道支撐位置，架設(shè)第四道鋼支撐；工況4 為開(kāi)挖至第五道支撐位置，架設(shè)第五道鋼支撐；工況5為開(kāi)挖至坑底。工況6～10為南區(qū)二期基坑開(kāi)挖，開(kāi)挖步序與北區(qū)基坑相同。

2.4 影響分析

對(duì)稱開(kāi)挖：

表3 2 號(hào)線某車站位移變化值

非對(duì)稱開(kāi)挖：

表4 2 號(hào)線某車站位移變化值

表5 2 號(hào)線某車站變形統(tǒng)計(jì)表

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2 號(hào)線某車站監(jiān)測(cè)點(diǎn)左右線對(duì)稱埋設(shè)，影響區(qū)域（K22+569～K22+731）范圍，基坑垂直投影范圍每 3 m埋設(shè)1個(gè)斷面，1 倍影響范圍每5m 布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，1 至2 倍影響倍范圍每10m 布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，左、右線各埋設(shè)27 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)斷面布設(shè) 3～4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（車站頂部1 個(gè)，底部1 個(gè)，道床2個(gè)），左、右線各埋設(shè)95 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖7 2 號(hào)線某車站右線Z 方向位移累計(jì)變形時(shí)程曲線圖

圖8 2 號(hào)線某車站左線Z 方向位移累計(jì)變形時(shí)程曲線圖

本計(jì)算模型考慮到既有2 號(hào)線車站底部的立柱樁的抗拔作用，并考慮坑內(nèi)加固措施，計(jì)算結(jié)果為上抬5.25mm，在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)2 號(hào)線車站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到右線的位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為4.6mm，左線的位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為4.7mm 與計(jì)算結(jié)果接近。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

由于5 號(hào)線某車站與2 號(hào)線某車站采用十字交叉，T 型換乘設(shè)置，5 號(hào)線某車站基坑緊貼2 號(hào)線某車站主體換乘段兩側(cè)施工，其施工將改變周邊一定范圍內(nèi)土體應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致影響區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)生附加變形，進(jìn)而對(duì)鄰近既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。采用三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算5 號(hào)線某車站基坑開(kāi)挖對(duì)2 號(hào)線某車站結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)結(jié)合計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出主要結(jié)論如下：

（1）5 號(hào)線某車站基坑開(kāi)挖后，土體卸載導(dǎo)致基底土體回彈、換乘節(jié)點(diǎn)的2 號(hào)線地連墻側(cè)阻力損失及基坑開(kāi)挖地連墻變形導(dǎo)致外側(cè)土體沉降共同作用影響2 號(hào)線某車站主體的變形與受力，其中土體回彈起到主導(dǎo)作用［3］。5 號(hào)線某車站為地下三層車站，開(kāi)挖深度較深（約23.5m），卸載荷載大，且坑內(nèi)存在較厚淤泥質(zhì)土（約24m），故基坑開(kāi)挖回彈作用對(duì)2 號(hào)線車站影響較大，最大豎向變形在臨近基坑的換乘段變形值為5.25mm。

（2）非對(duì)稱開(kāi)挖工況下，2 號(hào)線某車站主體水平最大位移為1.0710mm，豎向最大位移為5.2518mm；軌道縱向差異沉降坡度0.00254%，軌道橫向高差0.148mm。考慮到非對(duì)稱開(kāi)挖施工工期較長(zhǎng)，分析計(jì)算未考慮土體蠕變變形，實(shí)際施工非對(duì)稱開(kāi)挖對(duì)車站變形的影響會(huì)更大。

（3）5 號(hào)線某車站南北區(qū)基坑非對(duì)稱開(kāi)挖對(duì)2 號(hào)線某車站底板應(yīng)力影響較?。s為4%），主要考慮車站的變形影響。

4.2 建議

（1）基坑開(kāi)挖嚴(yán)格按照工序進(jìn)行施工，隨挖隨撐不得超挖?？紤]基坑開(kāi)挖的時(shí)空效應(yīng)，必須分段、分層、分區(qū)進(jìn)行開(kāi)挖。建議由換乘段兩側(cè)往車站兩端對(duì)稱進(jìn)行開(kāi)挖，若無(wú)條件進(jìn)行對(duì)稱開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)采取措施控制車站水平和豎向不均勻變形。

（2）建議在換乘段兩側(cè)基坑采用裙邊加固，固結(jié)土體減小開(kāi)挖的影響。

（3）基坑開(kāi)挖到底后，應(yīng)及時(shí)施做車站底板，減少基底暴露時(shí)間。

（4）建議完善局部圍護(hù)支撐體系，臨近換乘節(jié)點(diǎn)處南北兩個(gè)結(jié)構(gòu)段增加鋼支撐伺服系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握支撐軸力和地連墻變形，動(dòng)態(tài)調(diào)控，有利于對(duì)2 號(hào)線既有車站的保護(hù)。

（5）根據(jù)各階段分析計(jì)算并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，主要變形表現(xiàn)在換乘段區(qū)域，建議加厚換乘段底板。

（6）根據(jù)軌道交通運(yùn)營(yíng)安全的要求，制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，在施工全過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保運(yùn)營(yíng)和結(jié)構(gòu)安全。