天津市市政工程设计研究总院 天津 300392
摘要：针对新建北京地铁19号线施工对邻近的既有地铁的影响评估为背景，采用弹塑性有限元分析方法，基于数值模型对基坑开挖邻近既有车站、区间隧道下穿既有车站施工等多工序引起的既有车站的变形和应力进行分析，预测了新建地铁施工各工序引起既有车站的变形量及总变形量，提出各工序的变形控制标准及施工安全控制措施。
关键词：基坑开挖；隧道下穿；地铁车站；数值模拟
引言
随着城市地铁路网的完善，地铁建设过程中邻近和穿越既有地铁，不但增加了新建地铁的难度和风险，也对既有运营地铁产生不利影响，准确判断新建地铁对既有地铁的影响程度，采取仿真分析方法，预测既有地铁的附加变形和应力，特别是多工序施工时，找出关键工序，并提出合理安全控制措施，对确保既有地铁结构运营安全具有重要意义。笔者以某市新建地铁线路基坑邻近既有地铁线、区间隧道下穿既有大兴线施工过程中对既有地铁线的安全影响评估为例，运用弹塑性有限元数值计算方法，模拟新建基坑邻近、区间隧道下穿施工等多工序引起的既有地铁车站的变形和应力，以期得到一些有益的规律及结论。
1工程概况
1.1新建工程概况
某地铁站位于既有站东侧，顶板覆土约3.7m，共设置2个换乘通道、5个出入口和2组风亭。新建车站为地下3层钢筋混凝土箱型框架结构，标准段为五柱六跨框架结构。基坑深25.03～26.44m，宽45.1m，采用明挖法施工，“桩＋撑”支护方式；换乘通道采用暗挖CRD法施工。新建地铁线路—新发地站区间为“盾构法＋矿山法”施工，其中下穿既有线区段为矿山法施工。区间隧道左右线下穿段分3个断面，A断面位于东侧，采用拱顶直墙断面形式，断面结构高约10.85m，宽13.8m，采用双侧壁6步导坑法开挖、二次衬砌待开挖完成后施工；B断面位于中间，下穿段采用平顶直墙断面形式，断面高8.46m，宽13.5m，施工前进行全断面深孔注浆，采用双侧壁6步导坑法开挖、二次衬砌待开挖完成后施工；C断面位于西侧，下穿段为2个拱顶直墙断面形式，断面最大处高约8.99m，宽约6.5m，采用台阶法施工。出入段左右线采用马蹄形断面形式，断面结构高7.07m，宽7.08m，下穿既有线采用上下导洞法施工，下穿前进行全断面深孔注浆。
1.2既有车站概况
既有地铁站建于2010年，为地下双层明挖五柱六跨框架结构，车站总长度360.15m，宽度为40.9m，底板埋深约16.58m，顶板平均覆土厚度约3.2m，顶板厚0.7m，底板厚0.8m，边墙厚0.7m。
1.3新建工程与既有车站位置关系
新建地铁线路主体结构西端距邻近地铁最小净距约23.6m，车站西端距离既有附属紧急疏散口1最近水平距离约9.3m，新建底板距离既有附属紧急疏散口1垂直距离约16.3m。新建地铁线区间隧道下穿既有，区间盾构井深28.25m，距离既有紧急疏散口2水平距离约15m，距离既有水平距离约32.1m。
1.4工程地质及水文地质条件
拟建场地自上至下地层分别为砂质粉土黏质粉土素填土①层、杂填土①1层、砂质粉土黏质粉土②层、粉质黏土②1层、黏土②2层、粉细砂②3层、砂质粉土黏质粉土③层、粉质黏土③1层、黏土③2层、粉细砂③3层、黏土④1层、粉细砂④3层、卵石圆砾⑤层、粉质黏土⑥层、黏土⑥1层、砂质粉土黏质粉土⑥2层、粉细砂⑥3层和卵石圆砾⑦层。场区勘察深度范围内观测到1层地下水，为层间潜水—承压水（四），位于车站底板以下。
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2模型建立
本次分析采用MIDASGTSNX软件建立三维地层-结构模型进行分析计算，根据穿越段新建地铁的施工方案，模拟新建地铁线路区间隧道盾构井及横通道、出入段左右线、新建车站主体基坑、风井基坑、区间隧道正线施工过程中对邻近的既有的安全性影响，提供既有地铁结构的变形计算结果，评估地铁大兴线主体结构、轨道结构和附属结构的安全性，并根据行车安全的要求，综合考虑各种影响因素，提出施工过程中对既有地铁大兴线主体结构、轨道结构和附属结构的变形控制标准和保护措施。考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取拟建地铁线区间下穿、邻近基坑施工对既有的有效影响范围，评估中取长205m、宽190m，自地表向下60m深的土体作为考察范围，整个模型共计29275274个单元，517948个节点。计算模型中周围土体采用实体单元，不同的土层采用不同的材料参数模拟，约束情况为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由面。
2.1计算阶段划分
由于既有车站受新建车站主体及附属邻近、区间隧道正线及停车线隧道下穿等多工序施工影响，根据工程总体筹划，将施工顺序分为15个阶段。
2.2结果分析
为充分了解新建地铁对既有的变形影响，在车站中线沿纵向选取考察路径，分析其各工序完成时的累计沉降和各工序施工引起的沉降由上述计算分析可知：
2.2.1新建19号线邻近及下穿既有施工过程中，既有站结构最大沉降为2.97mm，发生在新建区间下穿既有站的中部。
2.2.2区间正线及出入段下穿既有站施工对既有站造成较大影响，正线下穿产生的沉降为2.44mm，出入段产生的沉降为0.54mm。因此，区间正线及出入段隧道下穿既有车站的施工为施工过程中控制的重点[1]。
2.2.3对既有变形缝差异沉降和结构应力计算可知，由于变形缝离下穿段较远，变形缝的差异沉降较小；结构应力变化不大，小于结构混凝土强度。
3结论和建议
3.1结论
3.3.1根据计算分析结果，新建地铁线路施工完成后，既有结构预测产生最大沉降为2.97mm。
3.3.2根据各个施工阶段对既有车站结构不同部位、不同影响程度比例的分配预测，结合施工过程现场监测情况，得出对新建结构施工过程进行有效控制，确保施工安全。因为只有各个施工阶段既有结构变形得到有效控制后，才能有效控制结构最终变形量。
3.3.3通过计算预测分析，基坑邻近施工与区间隧道下穿施工相比，隧道下穿施工引起的既有车站变形更大[2]。
3.2建议
3.2.1既有地铁变形控制重点是区间隧道下穿施工，应先注浆加固后再开挖，导洞开挖时应严格控制开挖步序，保证施工质量[3]。
3.2.2土体弹模的变化对模型计算结果影响较大，隧道施工前做好地层超前加固注浆，保证注浆后土体无侧限抗压强度达到设计强度，强度达到后方可进行导洞的开挖。同时距离地铁车站底板较近处的注浆要严格控制注浆压力和注浆量，防止车站与通道结构上浮[4]。
3.2.3施工过程中加强对既有结构和轨道的实时监测，根据变形计算结果将控制值分解到各施工工序，以确保总变形值在允许范围内，并根据监测结果及时反馈指导施工。
3.2.4明挖基坑开挖过程应分层分步施工，及时架设支撑，加强施工过程坑内及周边的监测及巡视，发现异常及时采取处理措施。
参考文献：
[1]刘士海，刘君伟，张涤新. 破口施工对既有地铁车站结构影响的实测分析[J]. 市政技术，2018，36（05）：105-108.
[2]丁乐. 基坑开挖对邻近地铁车站安全影响的三维有限元分析——以西朗公交枢纽站为例[J]. 隧道建设，2015，35（04）：328-334.
[3]仇培云，戚玉亮，陈帅光. 广州某地铁站基坑施工对邻近既有地铁车站和隧道的影响分析[J]. 广东土木与建筑，2018，25（03）：47-49+70.
[4]宋晓凤，姚爱军，张剑涛，闫旭丽，郭彦非. 深基坑开挖对邻近既有地铁隧道及轨道结构的影响研究[J]. 施工技术，2018，47（05）：122-127.
论文作者:赵传
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/26
标签：地铁论文; 车站论文; 结构论文; 断面论文; 基坑论文; 隧道论文; 区间论文; 《防护工程》2018年第29期论文;