張 君

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

地鐵已成為城市主要的地下交通方式，隨著人們對出行需求的增加，地鐵的換乘站也是越來越多。如何在存在既有地鐵的情況下，安全地開挖新的換乘站引起人們的關(guān)注。近年來，許多學(xué)者對此類問題進(jìn)行了深入研究，取得不少的成果。應(yīng)宏偉等[1]考慮隧道埋深效應(yīng)，引入了修正基床反力系數(shù)，進(jìn)而簡化了既有隧道的模型，在此基礎(chǔ)上建立既有隧道臨近基坑開挖模型，結(jié)果表明隧道與基坑平行工況下的隧道最大位移比垂直工況下的隧道最大位移大。張默爆等[2]通過理論計算、試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)隧道模型的研究成果，提出了既有隧道對土體應(yīng)力重分布與土體—隧道接觸形態(tài)變化的影響。蘇建豐等[3]分析了暗挖換乘車站的施工技術(shù)，詳細(xì)闡明了施工流程和施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)，采用數(shù)值模擬計算與現(xiàn)場實(shí)測資料相結(jié)合的方法，確定最佳支護(hù)形式及開挖方案。張梓升[4]等利用離散元軟件對地鐵盾構(gòu)的施工過程進(jìn)行了分析，研究了不同因素對盾構(gòu)施工開挖面穩(wěn)定的影響。

上述既有研究多以整體結(jié)果分析為主，鮮有考慮各階段不同工況，本文在這些研究的基礎(chǔ)上對隧道開挖分階段研究，然后進(jìn)行橫向、縱向結(jié)果對比，研究既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

1 工程概況

本文研究的工程背景是在既有地鐵宣武門站的基礎(chǔ)上，新增換乘通道。換乘通道開挖的地址位于兩街道的交叉路口處，并且此站是重要的地鐵中轉(zhuǎn)樞紐，連接著繁忙的2號線和繁忙的4號線，兩條線路在宣武門站呈“十”字形相交，在此處的西北處新建換乘通道。換乘通道周圍的既有結(jié)構(gòu)包括車站主體、西北出入口和換乘出入口。其中車站主體結(jié)構(gòu)為單層三跨拱頂直墻斷面結(jié)構(gòu)，寬20.7 m，高7.95 m。車站主體結(jié)構(gòu)頂板與換乘通道頂板標(biāo)高相同，走向與換乘通道走向平行，水平凈距 5.4 m。主體結(jié)構(gòu)的二襯結(jié)構(gòu)頂板厚700 mm、底板厚1 200 mm、側(cè)墻厚700 mm，中柱直徑為800 mm管柱，邊跨跨度6 750 mm，中跨的跨度6 400 mm，結(jié)構(gòu)凈高12 800 mm。4 號線西北出入口通道高5.3 m，寬6.8 m，西北出入口通道與換乘通道結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高相同，走向與換乘通道走向垂直；換乘出入口通道高 5.4 m，寬5.0 m。西北出入口通道與換乘通道的水平凈距約 0.5 m，換乘出入口通道與換乘通道的水平凈距約 0.8 m。其中西北出入口處分兩次爬升到地面，西北出入口標(biāo)準(zhǔn)斷面為單跨馬蹄形斷面，二襯頂厚500 mm，底板厚650 mm，側(cè)墻500 mm，結(jié)構(gòu)凈跨5 100 mm、凈高4 950 mm；爬升段為單跨矩形斷面+U型槽斷面，二襯頂板厚500 mm，底板厚500 mm，側(cè)墻500 mm，結(jié)構(gòu)凈跨6 800 mm、凈高1 950～6 450 mm。既有結(jié)構(gòu)洞壁周邊均采用混凝土噴漿襯砌支護(hù)，襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C40，襯砌厚度為0.8 m。換乘通道與既有結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系如圖 1、圖 2 所示。換乘通道開挖需要先開挖豎井，西北施工豎井井孔尺寸6 600 mm×4 500 mm，井深20.1 m，采用倒掛井壁法施工，豎井與4號線宣武門站西北風(fēng)道的凈距約8.0 m，與4號線宣武門站西北出入口的凈距約5.5 m，與西側(cè)一層住宅的凈距約5.8 m，如圖3所示。

圖1 換乘通道與周邊結(jié)構(gòu)平面關(guān)系

圖2 鄰近結(jié)構(gòu)位置(單位：m)

圖3 西北施工豎井臨近4號線平面關(guān)系

2 施工措施及安全控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 施工措施

(1)在施工前對既有 4 號線車站的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘察，并進(jìn)行檢測和評價。

(2)本次工程主要工法為暗挖工法，需要密切注意鑿除時結(jié)構(gòu)周圍墻體的裂縫狀況，在施工當(dāng)中應(yīng)該重點(diǎn)檢測接口處的墻體，若發(fā)現(xiàn)有裂縫應(yīng)及時修補(bǔ)與加固，以保證接口處既有結(jié)構(gòu)的安全。

(3)本工程以暗挖工法為主，施工過程中必須嚴(yán)格控制開挖循環(huán)進(jìn)尺。在特殊情況下，應(yīng)適當(dāng)縮短開挖進(jìn)尺，并適當(dāng)減小鋼格板間距。

(4)新建工程距離地鐵區(qū)間較近，應(yīng)嚴(yán)格控制開挖斷面保證開挖精度，避免破壞地鐵結(jié)構(gòu)，注漿過程應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，避免滲漏至地鐵內(nèi)。

(5)完成初期支護(hù)后應(yīng)及時進(jìn)行灌漿，填土之間應(yīng)留有空隙，加固附近的土層，減少隧道開挖對地面和周圍建筑物的影響。

2.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

由于地鐵4號線是運(yùn)營中的線路，為確保在施工條件下現(xiàn)有線路的正常運(yùn)行安全，主線軌道的靜態(tài)幾何尺寸偏差管理值應(yīng)符合《北京市地鐵運(yùn)營有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工務(wù)維修規(guī)則》(QB(J)/BDY(A)XL003-2009)相關(guān)要求, 既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)(風(fēng)道及出入口、換乘通道)和既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)(西北出入口)豎井及橫通道施工應(yīng)考慮《線路檢查作業(yè)工作指引》(京港地鐵WI-OP-PW-001)相關(guān)的變形控制要求以及地鐵行車軌道自身振動的影響，并考慮承載能力極限狀態(tài)允許變形值、正常使用極限狀態(tài)允許變形值和預(yù)測變形值，在此基礎(chǔ)上給予一定的安全系數(shù)。根據(jù)以上結(jié)論和項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)，綜合運(yùn)行安全要求和變形預(yù)測結(jié)果，確定變形控制值：

(1)既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)(風(fēng)道及出入口、換乘通道)最終豎向變形和橫向變形控制值為3.0 mm。

(2)既有地鐵附屬結(jié)構(gòu)(西北出入口)豎井及橫通道施工豎向和橫向分階段累計變形控制值為1.0 mm。暗挖換乘廳施工的豎向和橫向分階段累計變形控制值為3.0 mm。

(3)既有地鐵車站及區(qū)間車站主體及區(qū)間隧道及軌道結(jié)構(gòu)豎向變形和橫向變形的控制值為2.0 mm。變形縫兩側(cè)差異沉降控制值為1.0 mm。

3 既有地鐵結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

3.1 計算參數(shù)

根據(jù)該工程的工程地質(zhì)資料，并結(jié)合相關(guān)工程的既有資料[5]，可知本段區(qū)域內(nèi)既有地鐵結(jié)構(gòu)的軌道結(jié)構(gòu)材料采用U71Mn，道床為中心排水溝整體道床，工程場地的地層可分為粉土填土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂、細(xì)中砂、砂質(zhì)粉土、卵石圓礫。各地層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。土層選用D-P隨機(jī)損傷本構(gòu)模型。在ANSYS中采用實(shí)體單元Solid45模擬土層和既有地鐵結(jié)構(gòu)。

表1 材料參數(shù)

3.2 有限元模型

筆者用ANSYS有限元軟件對換乘隧道開挖過程進(jìn)行模擬。該模型長為100 m，寬為80 m，高為40 m，地表至既有地鐵結(jié)構(gòu)拱頂埋深為7.7 m。換乘通道距模型左側(cè)邊界為45.85 m，高8.9 m，寬14.9 m。洞壁周邊采用混凝土噴漿襯砌支護(hù)，襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C40，襯砌厚度為0.5 m。在模型中應(yīng)該對兩側(cè)的水平邊界進(jìn)行約束，然后再對底部邊界豎直和水平方向位移進(jìn)行約束，上表面看成自由邊界，不對其約束。計算模型如圖4和圖5所示。換乘隧道的施工分為三個部分：步驟一，開挖豎井；步驟二，自西向東開挖豎井通道；步驟三，開挖換乘通道?？紤]到既有地鐵結(jié)構(gòu)及其附屬結(jié)構(gòu)的形變與其受換乘隧道開挖的影響關(guān)系[6-7]，在計算時既有地鐵結(jié)構(gòu)及其附屬結(jié)構(gòu)僅考慮正常使用工況，不考慮其他工況。土體為各向同性的理想狀態(tài)，不考慮工程范圍內(nèi)地下水的影響?？紤]換乘隧道、既有地鐵4號線車站、出入口及區(qū)間結(jié)構(gòu)與土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。計算時荷載考慮既有結(jié)構(gòu)自重、土體豎向自重和地面超載20 kPa。

圖4 三維網(wǎng)格模型

圖5 施工步驟

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述的施工過程，模擬計算得到既有地鐵出入口及換乘通道豎向和橫向變形圖，如圖6～圖8所示，圖中A點(diǎn)和C點(diǎn)為西北出入口通道鄰近豎井處側(cè)墻西，B點(diǎn)為西北出入口通道鄰近換乘通道的頂面，D點(diǎn)和E點(diǎn)為西北出入口通道鄰近換乘通道側(cè)墻。首先當(dāng)進(jìn)行豎井開挖時,土體的擠壓使得A點(diǎn)的豎向變形最大，達(dá)到0.576 mm。由于土體卸載導(dǎo)致基底土體回彈，影響了地鐵結(jié)構(gòu)其他部位的變形和受力，如圖6(a)所示。接著自西向東開挖豎井通道，使得地鐵結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生了變化，原來的A點(diǎn)的范圍變小了，其他部位的豎向變形都有增加,如圖7(a)所示。最后開挖換乘通道，其變形主要來自換乘通道上部巖體，其中B點(diǎn)的變形最大,如圖8(a)所示。新建換乘通道的施工緊貼既有地鐵結(jié)構(gòu)，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)而對既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。隨著換乘通道的開挖進(jìn)行到不同的工序時，地鐵結(jié)構(gòu)的橫向變形也相應(yīng)改變。首先當(dāng)進(jìn)行豎井開挖時，C點(diǎn)的橫向位移最大為0.157 mm；接著自西向東開挖豎井通道，使得C點(diǎn)的最大橫向位移逐漸過渡到D點(diǎn)，為0.463 mm；最后開挖換乘通道，圍巖產(chǎn)生指向開挖區(qū)的位移，最大橫向變形發(fā)生在E點(diǎn)。

圖6 步驟一既有地鐵結(jié)構(gòu)變形云圖

圖7 步驟二既有地鐵結(jié)構(gòu)變形云圖

圖8 步驟三既有地鐵結(jié)構(gòu)變形云圖

根據(jù)上述既有結(jié)構(gòu)豎向變形和橫向變形計算結(jié)果，選取圖9中A、B、C、E四個控制點(diǎn)，利用有限元ANSYS軟件對換乘通道開挖后控制點(diǎn)位移進(jìn)行分析，計算點(diǎn)的位移時程曲線如圖9所示。分析如下：既有地鐵結(jié)構(gòu)A點(diǎn)豎向變形達(dá)到1.447 mm逐漸平穩(wěn)并達(dá)到穩(wěn)定，B點(diǎn)豎向變形達(dá)到1.927 mm逐漸平穩(wěn)并達(dá)到穩(wěn)定。A點(diǎn)和B點(diǎn)的豎向變形均小于控制值。既有地鐵結(jié)構(gòu)C點(diǎn)橫向變形達(dá)到0.209 mm逐漸平穩(wěn)并達(dá)到穩(wěn)定，E點(diǎn)橫向變形達(dá)到2.404 mm逐漸平穩(wěn)并達(dá)到穩(wěn)定。C點(diǎn)和E點(diǎn)的橫向變形均小于控制值。根據(jù)數(shù)值模擬計算出的數(shù)據(jù)和變形控制值，不難看出新建換乘隧道開挖對地鐵結(jié)構(gòu)及區(qū)間產(chǎn)生一定影響，變形值在允許范圍之內(nèi)。

圖9 既有地鐵結(jié)構(gòu)變形時程曲線

4 既有軌道監(jiān)測

受本工程影響的地鐵 4 號線宣武門站為直線，車站線路縱坡為 2‰。本段區(qū)域內(nèi)地鐵軌道結(jié)構(gòu)采用的是60 kg/m 鋼軌、U71Mn，1 435 mm 標(biāo)準(zhǔn)軌距，無縫線路，道床為中心排水溝整體道床，工程影響范圍內(nèi)K7+738.206—K7+869.188 扣件型號為DTVI2 型、K7+869.188—K8+116.456 扣件型號為W彈條扣件，扣件無調(diào)高，如圖10所示。

圖10 扣件現(xiàn)場

根據(jù)軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，新建工程施工后，區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)的最大豎向變形值為1.22 mm，軌道結(jié)構(gòu)的最大橫向變形值為1.0 mm，變形值在允許范圍之內(nèi)，滿足風(fēng)險等級要求。由于既有地鐵是運(yùn)營中的， 一旦發(fā)現(xiàn)軌道變形超標(biāo)，按無縫線路的維護(hù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)，盡快進(jìn)行調(diào)整，確保幾何形位達(dá)標(biāo)，避免扣件失效，從而保證地鐵安全運(yùn)營。在對軌道和道床進(jìn)行幾何形位管理的同時，也要對接觸軌按照正確的線路位置調(diào)整水平、方向及接觸軌護(hù)板。當(dāng)發(fā)現(xiàn)道床開裂或剝離程度較輕時可暫不采取措施，但應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測，當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度時，采用注漿加固等方式對裂縫進(jìn)行填充。

5 結(jié)論

(1)換乘通道開挖對既有結(jié)構(gòu)豎向變形影響較小，既有結(jié)構(gòu)的最大豎向變形值為1.927 mm，上浮，位置為鄰近既有結(jié)構(gòu)B點(diǎn)，豎向變形值在允許范圍之內(nèi)，滿足風(fēng)險等級要求。

(2)換乘通道開挖對既有結(jié)構(gòu)橫向變形影響較大，既有結(jié)構(gòu)的最大橫向變形值為2.404 mm，鄰近既有結(jié)構(gòu)側(cè)墻E點(diǎn)，變形值在允許范圍之內(nèi)，滿足風(fēng)險等級要求。

(3)由于既有結(jié)構(gòu)橫向變形較大，施工過程中需對既有地鐵結(jié)構(gòu)加固，以保證更加安全。其主要措施是對既有地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行修整，包括裂縫處理、道床和結(jié)構(gòu)脫離的整治等等，以提高既有地鐵既有結(jié)構(gòu)的承受能力。對于受新建地鐵施工影響較大的區(qū)域，采用注漿支護(hù)的措施，可以有效減小換乘通道開挖對既有結(jié)構(gòu)的影響。

(4)換乘通道開挖對既有地鐵的軌道的影響較小，最大豎向變形值為1.22 mm，最大橫向變形值為1.0 mm，變形值在允許范圍之內(nèi)，滿足風(fēng)險等級要求。