關(guān)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(hào)：U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.057文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0203-04

0 引言

地鐵具有快捷、便利、運(yùn)輸量大的優(yōu)勢(shì)，能夠極大緩解城市公共交通壓力。為了實(shí)現(xiàn)不同地鐵線路的站點(diǎn)的交匯，立體式車站建設(shè)正成為地鐵規(guī)劃修建的一大趨勢(shì)，在進(jìn)行立體車站修建時(shí)，最重要的就是要確保新建車站施工對(duì)既有車站正常運(yùn)營(yíng)和安全穩(wěn)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(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，如何保證既有車站的安全穩(wěn)定成為當(dāng)下關(guān)注的熱點(diǎn)。

明挖、蓋挖、盾構(gòu)、暗挖等均是地鐵車站修建常用的方法，然而面對(duì)復(fù)雜的城市環(huán)境，暗挖施工法仍是首選，中洞法、側(cè)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(shù)值模擬方式，研究了地鐵車站洞樁法施工擴(kuò)挖并行下穿既有建筑物的施工影響，結(jié)果表明在綜合采用超前大管棚、臨時(shí)立柱支撐體系、7導(dǎo)洞分部開(kāi)挖以及人工挖孔灌注樁等技術(shù)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(hào)線和16號(hào)線為例，對(duì)上穿既有結(jié)構(gòu)中洞暗挖施工過(guò)程中的變形進(jìn)行了分析，認(rèn)為在中洞開(kāi)挖與扣拱開(kāi)挖施工過(guò)程中需要嚴(yán)加注意，必要時(shí)采取加固措施?？芏萚5對(duì)新建地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)多次臨近或下穿既有地鐵的安全性影響進(jìn)行了研究，并提出了一系列施工和防護(hù)措施，通過(guò)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(hào)線為例，提出采用分段法施工技術(shù)，對(duì)既有車站的結(jié)構(gòu)變形、承載力和裂縫進(jìn)行控制。雖然上述研究對(duì)于工程實(shí)踐起到了一定的指導(dǎo)作用，但是針對(duì)密貼下穿的研究仍顯不足，尤其是沒(méi)有從安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性等諸多方面進(jìn)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(shù)值模擬方式，對(duì)比了多種施工方案，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供借鑒。

1工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

某新建地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三跨結(jié)構(gòu)，采用暗挖法施工，結(jié)構(gòu)主體包括站廳層及站臺(tái)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(zhǎng)為52m，頂板距地面距離為 11.64m ，開(kāi)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(kāi)挖斷面尺寸為 6.45m×17m，5 跨開(kāi)挖斷面尺寸為6.45 m×21m 新建車站在穿越施工時(shí)對(duì)原有地層，尤其新建車站密貼下穿既有車站修建，對(duì)于既有車站穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大影響，對(duì)既有車站影響范圍達(dá) 64m

1.2 工程及水文地質(zhì)

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(jì)晚更新世沖洪積卵石地層中。卵石密實(shí)度為中密一密實(shí)，濕度為濕一飽和，壓縮性低，無(wú)黏聚性，卵石中充填有中粗砂，地層不穩(wěn)定。由于工程地下水位于新建車站底板下約11m處，故無(wú)須考慮地下水影響。

1.3工程風(fēng)險(xiǎn)及施工重難點(diǎn)

工程本身風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為1級(jí)，周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為特級(jí)。由于既有車站底部為水平結(jié)構(gòu)，為減少新建車站頂板截面不均勻性對(duì)既有車站產(chǎn)生不均勻變形影響，新建車站的頂板也必須設(shè)計(jì)為直墻結(jié)構(gòu)，因此開(kāi)挖方法選擇對(duì)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(nèi)是該工程最大的施工重難點(diǎn)。

2地鐵暗挖常用方案對(duì)比

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

3基于層次分析法的施工方案優(yōu)選

3.1指標(biāo)體系構(gòu)建

考慮施工安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面因素，施工安全性選取地表沉降、施工安全度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，施工適用性選取斷面利用率、施工環(huán)境和受力條件三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，施工經(jīng)濟(jì)性選取廢棄工程量、造價(jià)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專家對(duì)4種施工方案的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表2。

3.2基于不同目標(biāo)指標(biāo)的方案優(yōu)選

根據(jù)專家評(píng)價(jià)情況，引入 1～9 的標(biāo)度對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行量化，分別建立7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣。首先根據(jù)單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣，對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次單排序進(jìn)行計(jì)算，即先把判斷矩陣每一行進(jìn)行相加，得到 ，再計(jì)算 V_i 的相對(duì)權(quán)重 ω_i=V_i/ΣV_i ，從而得到7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的在以不同控制目標(biāo)下的權(quán)重向量 ω （見(jiàn)表3）。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，施工單位在進(jìn)行施工時(shí)，要么以施工安全控制為主角度決策，要么以施工造價(jià)控制為主角度決策。當(dāng)以施工安全控制為首要目標(biāo)時(shí)，各指標(biāo)的優(yōu)先順序?yàn)椋菏┕ぐ踩?gt; 地表沉降 gt; 廢棄工程量及造價(jià) gt; 受力條件及斷面利用率 gt; 施工環(huán)境。當(dāng)以施工造價(jià)控制為首要目標(biāo)時(shí)，各指標(biāo)的優(yōu)先順序?yàn)椋菏┕ぐ踩?gt; 廢棄工程量及造價(jià) gt; 地表沉降 gt; 受力條件及斷面利用率 gt; 施工環(huán)境。分別構(gòu)建兩種目標(biāo)指標(biāo)下的判斷矩陣，對(duì)兩種目標(biāo)下的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，CR檢驗(yàn)結(jié)果均 lt;0.1 ，滿足一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。同理，對(duì)兩種目標(biāo)情況下的判斷矩陣進(jìn)行求解，求解方法同上。結(jié)果見(jiàn)表4和表 5

將計(jì)算得到的不同施工方案權(quán)重值分別與對(duì)應(yīng)控制目標(biāo)下的權(quán)重值相乘后，再分別對(duì)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(quán)重值，最終得到兩種目標(biāo)下的層次總排序結(jié)果，見(jiàn)圖1。由圖1可知：當(dāng)以施工安全控制為目標(biāo)時(shí)，4種施工方案的層次排序?yàn)椋篜BA工法 gt; 柱洞法 gt; 側(cè)洞法 gt; 中洞法；當(dāng)以施工造價(jià)控制為目標(biāo)時(shí)，層次排序?yàn)椋篜BA工法 gt; 側(cè)洞法 gt; 柱洞法 gt; 中洞法。無(wú)論是基于安全還是造價(jià)為目標(biāo)，PBA工法均是最優(yōu)選擇，因此采用層次分析法計(jì)算時(shí)，宜優(yōu)選PBA工法進(jìn)行施工。

4基于有限元的施工方案優(yōu)選

4.1數(shù)值模型的構(gòu)建

在構(gòu)建模型之前，作如下假設(shè)：（1）工程區(qū)地層符合修正摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，車站結(jié)構(gòu)符合彈性本構(gòu)模型；（2）施工過(guò)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(jié)構(gòu)的變形均在彈塑性變形范圍內(nèi)；（4）周圍地層均為水平、均質(zhì)和各向同性的。

整個(gè)模型的橫向尺寸取開(kāi)挖斷面的3倍，縱向尺寸取洞身長(zhǎng)度的2倍，開(kāi)挖方向取實(shí)際長(zhǎng)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(hù)、中板采用板單元，邊樁、鋼管柱采用梁?jiǎn)卧＝⒌?種施工方案的模型中，中洞法、側(cè)洞法、柱洞法和PBA工法的單元數(shù)量分別為53269、50039、42282和50887個(gè)。模型地層數(shù)據(jù)按照現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察實(shí)測(cè)選取，初期支護(hù)、二次襯砌、樁、柱、梁等彈性模量按照2 2～3.25×10⁴MPa 設(shè)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(gòu)建的數(shù)值模型如圖2所示。

4.2施工步驟設(shè)定

中洞法施工分為6個(gè)步驟：中洞開(kāi)挖-底頂縱梁、柱施作-側(cè)洞開(kāi)挖-底板施作-側(cè)墻施作-頂板施作。側(cè)洞法施工分為7個(gè)步驟：側(cè)部導(dǎo)洞開(kāi)挖-冠梁、鋼管柱、條形基礎(chǔ)施作-側(cè)洞底板施工-側(cè)墻施工-側(cè)洞施工→中洞開(kāi)挖-施工完成。柱洞法施工分為7個(gè)步驟：中側(cè)部導(dǎo)洞開(kāi)挖-冠梁、條形基礎(chǔ)、鋼管柱施作-部分中板施作-側(cè)部導(dǎo)洞開(kāi)挖-底板施工-側(cè)墻施工-頂板施工。PBA工法施工分為5個(gè)步驟：導(dǎo)洞開(kāi)挖-縱梁、冠梁、邊樁和鋼管柱等施作-二襯扣拱施工-上側(cè)墻及中板施工-下側(cè)墻及底板施工。

4.3模擬結(jié)果分析

4.3.1地表沉降對(duì)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(duì)比如圖3所示。由圖3可知：4種施工方案下，側(cè)洞法的地表沉降和拱底隆起量最大，分別達(dá)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(yōu)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(cè)洞法柱洞法 PBA工法施工方案

4.3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及受力對(duì)比

不同施工方案下支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和受力情況模擬結(jié)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(dá)到5.56mm和23.84mm ，側(cè)洞法的最大主應(yīng)力、剪切應(yīng)力和MISES應(yīng)力最大，分別為19441.4kPa、9766.2kPa和20894kPa，PBA工法施工方案下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和受力在4種方案下均為最小，故從支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和受力情況考慮，也宜優(yōu)選PBA工法。

4.3.3既有車站結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

不同施工方案下既有車站后側(cè)墻變形值對(duì)比如圖4所示。由圖4可知：4種施工方案下，既有車站后側(cè)墻變形量大小排序?yàn)椋簜?cè)洞法 gt; 中洞法、柱洞法 gt; PBA工法，說(shuō)明PBA工法對(duì)既有車站的影響最小，故宜優(yōu)先選擇PBA工法進(jìn)行施工。

4.3.4圍巖應(yīng)力與塑性區(qū)對(duì)比

不同施工方案下圍巖最大主應(yīng)力和塑性區(qū)對(duì)比如表7所示。由表7可知：無(wú)論是圍巖最大主應(yīng)力，還是最大塑性區(qū)半徑，亦或是最大塑性應(yīng)變值，PBA工法施工方案均為最小，PBA工法對(duì)于圍巖擾動(dòng)的影響最低，從控制圍巖擾動(dòng)而言，也應(yīng)該優(yōu)選PBA工法。

5結(jié)語(yǔ)

本文基于新建地鐵車站主體結(jié)構(gòu)密貼下穿既有地鐵車站情況，初選中洞法、側(cè)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(duì)4種施工方案進(jìn)行了比選，結(jié)果表明：無(wú)論是基于安全還是造價(jià)為目標(biāo)，PBA工法均是最優(yōu)選擇，PBA工法在控制地表沉降和變形、抑制支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和受力、降低對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)影響和對(duì)圍巖擾動(dòng)等方面均優(yōu)于其他3種施工方案，故本工程應(yīng)優(yōu)選PBA工法施工。 ⑦

參考文獻(xiàn)

[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(shí)對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)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(yīng)用[J].工程機(jī)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(kuò)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(duì)上穿既有結(jié)構(gòu)的影響研究J].鐵道建筑技術(shù)，2023（1）：55-58，96

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

6楊鳳梅，葉至盛.成都地鐵19號(hào)線天府商務(wù)區(qū)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