趙靜

（中鐵建（天津）軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津 300199）

0 引言

隨著地鐵建設的快速發(fā)展，臨近既有線的新建地鐵項目也越來越多。如果對新建地鐵設計或施工不當，將會對既有地鐵結(jié)構產(chǎn)生影響，嚴重時會造成既有地鐵結(jié)構的破壞，引起安全隱患或事故。目前，新建地鐵與既有地鐵之間的關系可分為新建車站與既有區(qū)間、新建區(qū)間與既有區(qū)間、新建區(qū)間與既有車站、新建車站+區(qū)間與既有車站+區(qū)間4 類。目前對新建車站+區(qū)間與既有車站+區(qū)間研究。張國亮等［1］采用有限差分計算方法，分析了新建地鐵車站基坑與既有車站結(jié)構間的相互影響；薛長遷［2］對臨近既有車站新建地鐵車站基坑施工措施進行了優(yōu)化分析，總結(jié)出新建車站基坑的施工方法；趙國［3］針對新建地鐵車站于既有車站小凈距的情況，通過分析自身風險和環(huán)境風險，制定應對措施，確保既有車站的結(jié)構安全；朱峰［4］采用數(shù)值分析手段，分析了新建地鐵不同區(qū)域施工對既有車站產(chǎn)生的影響，確定施工控制點；朱光亞［5］采用有限元方法，分析了新建地鐵基坑對既有車站結(jié)構變形的影響；萬朝棟［6］對新建地鐵下穿既有城鐵地鐵同臺換乘站改技術進行了研究。

以臨近6號線鞍山西道站的8號線車站和區(qū)間為工程背景，建立了臨近既有線的車站及區(qū)間三維有限元模型，對不同施工步序下既有線位移、應力及承載力變化特征進行了詳細分析。所得結(jié)論可為類似條件下既有線的保護提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 新項目概況

天津地鐵8 號線鞍山西道站為島式站臺車站，主體結(jié)構標準段總寬度為25.7m，有效站臺寬度16m，標準段為地下3 層雙柱三跨矩形框架結(jié)構，底板底埋深約24.01m，車站范圍正線線間距19.2m。兩端接盾構區(qū)間，隧道結(jié)構內(nèi)徑5.9m、外徑6.6m，車站大、小里程端均為盾構始發(fā)。

車站共設兩組風亭、4個出入口，以及與地鐵6號線車站的換乘通道一個。A號出入口為預留出入口；B號出入口與1號風道結(jié)合設置；C號出入口與2號風道結(jié)合設置；D號出入口與6號線鞍山西道站結(jié)合設置。

1.2 與既有線位置關系

8號線鞍山西道站與已運營的6號線鞍山西道站“T”字換乘，換乘節(jié)點在6號線施工時已完成。6號線車站為地下雙層島式車站，并設3 處出入口。新建8號線下穿既有6號線車站主體。8號線31.45m長區(qū)間和175.7m長車站施工對6號線存在影響。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，場地埋深80m 深度范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分為以下10層，按力學性質(zhì)可進一步劃分為18個亞層，自上而下分別為：人工填土層（雜填土①1、素填土①2）、全新統(tǒng)上組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土④1、砂質(zhì)粉土④2）、全新統(tǒng)中組海相沉積層（粉質(zhì)黏土⑥1、粉質(zhì)黏土⑥4）、全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層、全新統(tǒng)下組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土⑧1、砂質(zhì)粉土⑧2）、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土⑨1、砂質(zhì)粉土⑨2）、上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層（粉質(zhì)黏土?、粉砂?2、粉砂?4）、上更新統(tǒng)第二組海相沉積層、上更新統(tǒng)第一組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土?1、粉質(zhì)黏土?3）。

3 數(shù)值計算分析

3.1 數(shù)值模型的建立

計算采用巖土有限元分析軟件建立整體三維有限元模型如圖1所示。進行計算分析。以南北向為X軸，東西向為Y軸，豎直方向為Z軸建立三維模型計算分析，為消除模型邊界效應，X軸方向取400m，Y軸方向取400m，Z 軸方向取61.1m。模型計算采用混合六面體單元，共劃分單元346447 個，節(jié)點57742 個。新建8號線與既有6號線模型位置關系如圖2所示。

圖1 三維有限元計算模型

圖2 新建8號線與既有6號線模型位置關系

模型邊界條件：頂面為自由面，無約束；底面每個方向均約束；4個側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

計算假設：認為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，結(jié)構體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)；將建筑基坑支護結(jié)構的圍護樁通過抗彎剛度折減等效成地下連續(xù)墻；樁基與土層之間為摩擦接觸；采用施工步來模擬整個施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時間效應。

3.2 計算參數(shù)

土體本構模型采用小應變硬化的本構模型，模型參數(shù)取值見表1。承臺和樁基采用實體單元模擬；軌道交通結(jié)構采用板單元模擬?；炷两Y(jié)構重度均為25kN/m3，結(jié)構計算參數(shù)見表2。

表1 土體物理力學參數(shù)

表2 模型結(jié)構體計算參數(shù)

3.3 模擬步驟

車站主體開挖步驟如圖4 所示，將計算模擬分為26步，具體模擬情況：初始應力場，施作既有軌道交通結(jié)構，位移清零；主體基坑圍護結(jié)構、立柱樁及地連墻施工；主體基坑第一步土體開挖并架設第一道支撐；主體基坑第二步土體開挖并架設第二道支撐；主體基坑第三步土體開挖并架設第三道支撐；主體基坑第四步土體開挖并架設第四道支撐；主體基坑第五步土體開挖并架設第五道支撐；主體基坑開挖至基坑底并施做車站底板；主體向上回筑側(cè)墻、施做第二層中板；主體向上回筑側(cè)墻、施做第一層中板；主體向上回筑側(cè)墻、施做頂板；主體基坑拆除第一道支撐、回填覆土；2號風亭及B口立柱樁、地連墻施工；2號風亭及B口第一步土體開挖并架設第一道支撐；2 號風亭及B 口第二步土體開挖并架設第二道支撐；2 號風亭及B 口第三土體開挖并架設第三道支撐；2 號風亭及B 口基坑開挖至坑底并施做2號風亭底板；2號風亭施做中板、B 口施做底板；2 號風亭及B 口向上回筑側(cè)墻、施做頂板；2號風亭及B口基坑拆除第一道支撐、回填覆土；D口圍護結(jié)構施工；D口第一步土體開挖并架設第一道支撐；D口第二步土體開挖并架設第二道支撐；D口基坑開挖至坑底并施做底板；D口向上回筑側(cè)墻并施做頂板；D口基坑拆除第一道支撐、回填覆土；鞍山西道站-南豐路站區(qū)間左線盾構施工；鞍山西道站-南豐路站區(qū)間右線盾構施工。

3.4 計算結(jié)果與分析

將28 個模擬步驟分為4 個大步驟：車站主體施工、2號風亭及B口施工、D口施工和區(qū)間施工，文中以4個大步驟進行針對性分析。

3.4.1 位移分析

不同步驟下6號線車站水平位移和豎向位移云圖如圖3、圖4 所示。由圖3、圖4 可知：4 個大步驟下車站水平位移均整體上呈“正向端負向水平位移，負向端正向水平位移”的分布特征；8 號線車站主體施工時，靠近其一側(cè)的6號線車站豎向位移較大，且發(fā)生向上隆起位移；2 號風亭及B 口施工時，附近的6 號線車站向上的隆起位移明顯增大；同樣的情況也出現(xiàn)在D口、區(qū)間施工階段；6 號線車站豎向位移整體上呈“靠近8號線一側(cè)大，遠離8號線一側(cè)小”的分布特征。

圖3 地鐵完成后6號線車站水平位移云圖

圖4 地鐵完成后6號線車站豎向位移云圖

6號線結(jié)構隨施工步變化曲線如圖5所示。由圖5 可知：①對于6 號線車站主體，水平位移在8 號線車站回填覆土階段和2號風亭及B口開挖至坑底階段出現(xiàn)了2次波動，整體上是以負值形式增大；豎向位移在在2號風亭及B口開挖至坑底前階段一直處于增大狀態(tài)，該施工步后豎向位移有一定幅度減小，在D 口第一步土體開挖后再次增大，D口開挖至坑底后豎向位移再次減小，區(qū)間施工階段變化較小；②于6號線B出入口及2 號風道，水平位移和豎向位移在前2 個階段隨施工進展逐漸增大，在后2 個階段水平位移和豎向位移變化很?。虎蹖τ?號線C出入口，水平位移在前2 個階段隨施工進展逐漸增大，在后2 個階段水平位移和豎向位移有所減??；豎向位移在8 號線2 號風亭及B口第二步土體開挖階段前變化不大，該施工步以后減小繼續(xù)保持不變，在D 口第一步土體開挖時增大，在D 口第二步土體開挖后保持穩(wěn)定；④對于區(qū)間隧道，在2 號風亭及B 口第一步土體開挖前水平位移和豎向位移先增大，該施工步以后，水平位移和豎向位移先以負位移減小再以正位移增大，后2 個階段位移變化不大；⑤6 號線C 出入口水平位移和豎向位移相差不大，6號線車站主體、B出入口及2號風道、區(qū)間隧道的豎向位移大于水平位移。

圖5 6號線結(jié)構位移隨不同施工步變化曲線

3.4.2 應力分析

6號線結(jié)構最大主應力隨不同施工步變化曲線如圖6 所示。隨著新建地鐵的施工，臨近既有線的結(jié)構應力隨不同施工步的影響出現(xiàn)一定的波動。但應力變幅很小。由既有結(jié)構底板最大主應力云圖可以看出，隨著新建地鐵下穿段的開挖，最大主應力呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，且最大值發(fā)生在開挖過程中而非開挖結(jié)束后。6號線各部位最大應力均不超過混凝土軸心抗拉強度標準值。

圖6 6號線結(jié)構最大主應力隨不同施工步變化曲線

3.4.3 承載力分析

6號線結(jié)構彎矩隨不同施工步變化曲線如圖7所示。根據(jù)6號線施工圖紙結(jié)構截面尺寸和配筋核實雙向受彎承載能力。在8號線施工過程中可能出現(xiàn)的最不利彎矩均未超過極限彎矩，說明6 號線結(jié)構承載力仍存在一定安全余量。

圖7 6號線結(jié)構彎矩隨不同施工步變化曲線

4 影響性分析

根據(jù)國家地鐵保護規(guī)范，結(jié)合既有6 號線現(xiàn)狀檢測結(jié)果和天津市工程經(jīng)驗，確定6 號線車站及區(qū)間隧道的位移控制指標：車站及區(qū)間隧道豎向位移15mm，車站及區(qū)間隧道水平位移10mm。位移控制統(tǒng)計結(jié)果列于表3 中，車站主體結(jié)構水平位移和豎向位移最大值分別為-0.94、5.28mm，B 出入口及2 號風亭組的水平位移和豎向位移最大值分別為0.861mm、-1.266，C出入口水平位移和豎向位移最大值分別為-1.062、0.95mm，區(qū)間隧道水平位移和豎向位移最大值分別為-0.664、3.3mm。均滿足控制標準要求。

表3 位移控制統(tǒng)計結(jié)果 mm

5 結(jié)語

建立了臨近既車站和區(qū)間的新建明挖車站和盾構區(qū)間的三維有限元模型，基于數(shù)值分析結(jié)果，分析了既有地鐵車站和區(qū)間的位移、應力及承載力變化特征，主要結(jié)論如下：

（1） 新建地鐵工程與既有線距離近，基坑開挖引起卸荷效應顯著，導致了鄰近的既有線結(jié)構產(chǎn)生明顯水平位移和豎向位移。其中車站主體和區(qū)間隧道以豎向位移主，豎向位移約為水平位移的5倍左右。

（2） 既有線結(jié)構位移主要發(fā)生在基坑開挖階段，回筑階段趨于穩(wěn)定，未有明顯變化，對既有線安全保護應重點在基坑開挖階段。

（3） 新建地鐵B出入口及2號風道施工階段，既有線結(jié)構位移存在明顯波動，正負位移相互轉(zhuǎn)換，是既有線結(jié)構監(jiān)測的關鍵階段。

（4） 根據(jù)數(shù)值分析，既有線車站主體（含附屬結(jié)構）最大位移5.28mm，區(qū)間隧道最大位移3.3mm，各部位結(jié)構位移控制指標未超過容許值，且承載力未超過極限值，可認為新建地鐵工程施工方案合理，使得既有線結(jié)構安裝可控。