后建车站基坑开挖及区间近距离下穿既有车站安全技术措施研究

高玄涛

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室，陕西西安710043)

随着城市轨道交通线网建设的不断深入，换乘线路、换乘站越来越多，临近既有地铁车站进行后建地铁车站基坑开挖及区间下穿既有车站特别是近距离下穿既有车站也越来越多。对于两个站厅通道换乘车站，两站站厅层相互联通进行换乘，后期建设车站位于先期建设车站一侧，后期线路区间穿越先期建设车站。为了节约后期建设线路投资，后期建设区间基本是近距离下穿既有车站。换乘车站距离较近，后建车站基坑开挖期间改变既有车站区域应力平衡，使应力进行多次重分布，进而引起既有地铁车站产生附加应力及变形[1]。区间穿越既有车站区域，将进一步改变原有应力平衡，同时既有车站结构受力模式发生改变，如不提前采取措施，区间穿越后既有车站结构存在发生较大变形可能性，进而影响既有线车辆正常运营，甚至对后期建设区间结构安全造成不利影响。在后建地铁车站施工及区间穿越过程中，采取安全、经济、适用的处理措施成为地铁建设的关键问题。

国内外学者针对基坑开挖对临近既有地铁结构的影响和区间近距离下穿对既有车站的影响及相应处理措施进行了较多研究，主要是结合具体工程项目，采用现场监测、数值计算或模型试验等手段对后建工程在施工过程中的基坑开挖支护方案、地层加固措施等进行优化分析[2-8]。郭庆昊[9]等研究了盾构下穿北京地铁4号线宣武门车站动态掘进过程中，车站底板处板凳-桩托护结构的受力、变形及稳定性情况，同时也对盾构施工给上层车站轨面及地表的竖向沉降和整体安全性的影响进行了分析；陶连金[10]等提出了盾构隧道穿越既有地铁车站结构安全的评估方法，并以某工程为例，通过数值计算，预测了该车站的变形量，分析了车站结构的安全性，提出了变形控制指标；于军[11]以北京地铁6号线东四站朝阳门站区间隧道零距离下穿既有5号线东四站为工程背景，在施工过程中开展数值模拟与现场监测相结合的研究工作，对隧道施工方案进行优化并总结分析零距离穿越施工对既有结构的影响；张保存[12]等以天津西站南广场基坑工程为例，通过数值分析方法对南广场基坑开挖过程进行了模拟，通过计算结果分析近接工程施工对既有地铁车站结构的影响。

已有的研究大多是针对临近基坑工程开挖或是区间下穿对既有地铁车站结构的影响进行分析，对于临近地铁车站基坑开挖及区间近距离下穿对既有车站的叠加影响效应研究较少。本文以成都地铁某换乘车站后建车站基坑开挖及区间近距离下穿既有地铁车站工程为背景，采用三维有限元方法对后建车站基坑开挖及后建区间近距离下穿引起的既有地铁车站的力学行为进行研究分析，提出相应安全技术措施，以确保既有地铁车站结构的内力及变形满足要求，并为后续类似工程提供参考。

1 工程概况

成都地铁5号线回龙站与11号线回龙站采用“T-型”站厅通道换乘。5号线回龙站为地下两层单柱双跨(局部双柱三跨)箱型框架结构，底板埋深约16.5 m。11号线回龙站为地下三层双柱三跨箱型框架结构，负一层与5号线站厅层联通进行换乘，负二层及负三层结构与5号线结构净距为5.9 m，与5号线车站临近侧底板埋深约26.95 m。11号线区间下穿5号线车站范围区间拱顶与5号线车站底板底距离最小为2.4 m、与底板下翻纵梁最小距离为1.49 m。换乘车站平面及剖面关系分别如图1、图2所示。

图1 换乘车站平面关系图Fig.1 Plane diagram of the transfer stations

图2 换乘车站剖面关系图Fig.2 Profile diagram of the transfer stations

2 既有车站结构变形控制标准及安全控制措施

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[13]相关规定，本后建地铁车站及区间工程位于既有车站结构的强烈影响区内，与既有车站结构接近程度为非常接近，项目实施对既有车站结构影响等级为特级。结合《城市轨道交通结构安全保护技术规范》并参考其他地区类似项目[14-16]确定了后建地铁车站及区间施工过程中既有车站结构及轨道变形控制标准，如表1所示。

表1 既有车站结构变形控制标准Tab.1 Deformation control standards for existing station structures

由于后建地铁车站基坑较既有车站深，且两站主体最小净距为5.9 m，区间与5号线车站底板底最小距离为2.4 m，后建地铁车站及区间工程位于既有车站结构的强烈影响区内，在后建工程实施过程中，极易引起既有车站结构的变形及内力变化。为确保既有结构的变化能够满足要求，采取措施如下:

(1)后建地铁车站基坑支护结构体系采用成都地铁常用的桩+内支撑体系，临近既有车站范围围护桩加密，同时第一、二道内支撑采用刚度较大的钢筋混凝土支撑。

(2)既有地铁车站设计时已为后建区间穿越预留条件，即在区间穿越范围底板结构加厚，区间两侧底板以下各预留3根φ1.20 m、长12.35 m的钢筋混凝土支撑桩，同时在底板内设置连系梁将支撑桩与底板形成一个整体。既有车站预留条件如图3所示。

图3 既有车站预留条件剖面图Fig.3 Reserved conditions profile of existing station

(3)盾构穿越过程中，严格控制盾构掘进参数，盾构通过后及时同步注浆，并注意控制同步注浆量与注浆压力，避免对车站造成二次扰动。

3 后建地铁车站基坑开挖及区间下穿对既有车站影响数值分析

3.1 基本假定

在尽可能与工程实际保持一致的前提下，为了便于模型建立及网格划分，本文对地层及结构进行了部分简化处理。计算过程中采用的基本假定包括:

(1)不考虑地形及地层分界线起伏，地表面及各土层均按水平、均质、层状分布；

(2)地层按最不利地质钻孔考虑；

(3)后建工程实施之前场地存在的初始应力场，只考虑地层及结构自重；

(4)不考虑项目实施过程中施工误差及施工降水的影响；

(5)不考虑施工过程中施工扰动引起的土体参数的变化；

(6)考虑到螺栓接头对盾构管片整体刚度的影响，对盾构管片抗弯刚度进行折减[17]；

(7)轨道道床与车站底板变形协调一致。

3.2 模型建立

本文采用MIDAS-GTSNX有限元软件建立三维数值仿真模型进行数值模拟计算，对后建地铁车站基坑开挖及区间近距离下穿对既有车站结构的影响进行分析研究。根据项目实际规模及圣维南原理，充分考虑边界效应的影响，计算范围平面取3倍后建车站宽度，计算范围下边界取3倍后建车站深度。模型基本尺寸为168 m×119 m×80 m。车站主体结构(梁、板、柱、墙)、车站围护结构(围护桩、内支撑、挡墙、冠梁)、盾构管片均采用线弹性本构模型，地层采用修正摩尔-库伦本构模型[6]，注浆加固土体通过调整地层物理力学参数实现，地层和结构基本物理力学参数如表2、表3所示。整体有限元模型和后建工程与既有车站的空间相对位置关系如图4、图5所示。

图4 整体有限元计算模型Fig.4 The whole finite element model

图5 后建车站及区间与既有地铁车站空间相对位置关系Fig.5 The relative positional relationship between post-built station and tunnels and existing station

3.3 数值模拟计算结果分析

本文分别对后建车站及区间施工对既有车站受力、变形及轨道变形影响进行计算分析。

3.3.1 后建车站及区间施工对既有车站及轨道变形影响分析

为分析研究后建车站施工及区间下穿施工对既有车站结构及轨道变形的影响，取临近后建车站范围既有车站控制断面进行分析研究，既有车站监测断面布置示意图如图6所示。

表2 土层物理力学参数指标表Tab.2 Index table of physical and mechanical parameters of soil

表3 结构物理力学参数指标表Tab.3 Indicators of physical and mechanical parameters of structures

图6 既有车站监测断面位置示意图Fig.6 Schematic map of monitoring section location of existing station

后建车站施工完成后，既有车站结构及轨道(左线轨道即临近后建车站侧轨道，下同)变形分别如图7、图8所示。

图7 后建车站施工完成后既有车站变形图Fig.7 Deformation map of existing station after completion of post-built station

图8 后建车站施工完成后既有车站轨道纵向高差变形图Fig.8 Deformation map of longitudinal elevation difference of existing station track after completion of post-built station

后建区间施工完成后，既有车站结构及轨道变形分别如图9、图10所示。

图9 区间施工完成后既有车站变形图Fig.9 Deformation map of existing station after completion of tunnels

图10 区间施工完成后既有车站轨道纵向高差变形图Fig.10 Deformation map of longitudinal elevation difference of existing station track after completion of tunnels

后建车站基坑开挖及区间下穿施工，引起的既有车站及轨道变形统计详见表4。

表4 后建车站及区间施工引起的既有车站及轨道变形统计表Tab.4 Statistical table of deformation of existing station and track caused by post-built station and tunnels

由图7～10可知，后建车站基坑开挖卸载，引起周边地层应力发生重分布，使基坑底土体发生隆起变形、基坑周围土体发生水平变形，进而引起既有车站发生竖向隆起变形及趋向于后建车站方向的水平位移，整个车站发生扭转变形，最大水平位移发生于临近后建车站侧负一层侧墙处，最大竖向变形发生于临近后建车站侧侧墙内部底板处；后建区间施工，土体开挖引起区间上方土体发生竖向沉降，进而引起既有车站发生竖向沉降；既有车站变形基本沿着后建车站对称分布。

整个施工过程中，既有车站底板竖向变形最大为1.05 m，侧墙最大变形为0.24 mm，轨道最大纵向高差为1.04，最大横向高差为0.11 mm，均满足变形控制标准。

3.3.2 后建车站及区间施工对既有车站内力影响分析

后建车站基坑开挖完成后，既有车站结构构件内力如图11所示；后建区间施工完成后，既有车站结构构件内力如图12所示。其中支撑桩轴力以拉力为正、压力为负。支撑桩编号如图13所示。

图11 后建车站基坑开挖完成后既有车站结构内力图Fig.11 Internal force diagram of existing station structure after foundation pit excavation of the post-built station

图12 区间施工完成后既有车站结构内力图Fig.12 Internal force diagram of existing station structure after completion of tunnels

图13 既有车站支撑桩编号图Fig.13 Number diagram of supporting pilesfor the existing station

整个施工过程中，既有车站结构构件内力统计详见表5。

表5 施工过程中既有车站结构构件内力统计表Tab.5 Statistical table of internal force of existing station structure during construction

根据图11、图12及表5分析可知，后建车站基坑开挖及车站施工对既有车站底板弯矩及侧墙负弯矩影响较小，可忽略不计；对既有车站侧墙正弯矩、支撑桩弯矩及支撑桩轴力影响较大，其中侧墙正弯矩增加82%，支撑桩弯矩增加11.45%，支撑桩边桩轴力增加130.7%，支撑桩中间桩轴力增加2.38%；后建车站基坑开挖，引起既有车站发生隆起变形及倾向于后建车站侧的扭转变形，导致临近后建车站侧支撑桩边桩轴压力增加，远离后建车站侧支撑桩边桩轴压力减小，支撑桩中间桩轴拉力略微增加。因此后建车站实施，应采用刚度较大的混凝土支撑，以控制对既有车站的影响。

区间施工，引起既有车站底板正弯矩及负弯矩增大，其中正弯矩增加约10.8%，负弯矩增加约35.9%；对既有侧墙影响较小，可忽略不计；左线区间施工完成后，由于右线支撑桩受偏压作用，弯矩较大，最大达到959.9 kN·m，较基坑开挖前增加17.2%；右线区间施工完成后，右线支撑桩偏压作用较小，弯矩减小；由于区间施工引起地层发生竖向沉降，导致支撑桩边桩轴压力增加，中间桩轴拉力减小，其中边桩轴压力达到后建车站基坑开挖前的2.6倍，中间桩轴力较后建车站基坑开挖前减少27.2%。

通过以上研究分析还可以发现:1)由于支撑桩中间桩不位于既有车站柱下方，中间桩呈受拉状态，在设计过程中应将中间桩与边桩分别设计，这往往是设计人员容易忽视的地方。故在方案研究及设计过程中，应尽量避开后期建设区间设置于既有车站柱下方，将支撑桩设置于既有车站柱下方，使支撑桩承担轴压力，充分发挥受压作用。2)由于后建车站位于既有车站一侧，后建车站实施，引起既有车站受偏压荷载，导致向后建车站侧发生扭转变形，另外区间施工引起地层发生竖向沉降，导致支撑桩边桩轴力值成倍增加，中间桩轴力减少，因此在设计过程中应对边桩及支撑桩分别设计，做到“安全、经济、合理”。

既有车站运营过程中，对其结构构件分别进行验算，验算结果如表6所示。由表6可知，本站采取措施合理，既有车站构件尺寸及配筋满足要求。

表6 运营过程中既有车站结构构件验算Tab.6 Checklist of existing station structure in operation

4 现场监测结果分析

施工过程中，为及时并准确反映周边环境及围岩的动态变化，确保工程自身安全、既有车站结构内力及变形满足要求，除对地面及井下进行日常监控巡视外，必须对周边环境特别是既有车站进行监测。既有车站监测点布置如图14所示。

图14 既有车站监测点布置图Fig.14 Layout of monitoring points in existing station

既有车站结构监测点监测结果如图15所示，既有车站道床监测点监测结果如图16、图17所示。

根据图15可以看出，既有车站结构左线最大正变形值为2.3 mm，最大负变形值为-2.1 mm，满足限值要求；既有车站结构右线最大正变形值为1.8 mm，最大负变形值为-2.6 mm，满足限值要求。在盾构下穿初期，由于同步注浆及回填注浆不及时，导致车站结构发生一定收敛变形，后经对注浆参数及注浆压力进行调整，监测点监测数据趋于稳定；由于后建车站施工引起既有车站一定隆起，且临近后建车站侧隆起值大，既有车站左线侧监测点呈现扩张变形，右线侧呈现收敛变形。

图15 既有车站结构监测点净空收敛曲线图Fig.15 Clearance convergence curve of existing station monitoring points

图16 既有车站左线道床监测点沉降曲线图Fig.16 Settlement curve of monitoring points of the left track bed of existing station

图17 既有车站右线道床监测点沉降曲线图Fig.17 Settlement curve of monitoring points of the right track bed of existing station

根据图16、图17可以看出，既有车站左线道床最大沉降值为-2.57 mm，横向差异沉降累计最大-1.58 mm，纵向差异沉降累计最大1.5 mm，满足限值要求；既有车站右线道床最大沉降值为-2.5 mm，横向差异沉降累计最大1.35 mm，纵向差异沉降累计最大-1.35 mm，满足限值要求。在盾构下穿初期，由于同步注浆及回填注浆不及时，导致道床发生一定沉降变形，后经对注浆参数及注浆压力进行调整，轨道沉降趋于稳定。

5 结论与建议

本文采用三维有限元方法分析研究了后建车站及区间施工对既有车站的影响，并在施工过程中对既有地铁车站结构及轨道变形进行全过程动态监测，主要结论如下:

(1)对于后建车站临近既有站进行施工及区间下穿既有车站，应考虑后建车站施工及区间施工对既有车站影响的叠加效应。

(2)后建车站施工，对既有车站水平变形及侧墙内力影响较大，故应采用刚度较大的混凝土支撑，以控制对既有车站的影响；下穿区间施工，对既有车站沉降及底板内力影响较大，因此在施工过程中严格控制盾构掘进参数，盾构通过后及时同步注浆，并注意控制同步注浆量与注浆压力。

(3)采用本项目的技术措施，工程实施后，既有车站结构最大变形值为2.6 mm，既有车站道床最大沉降值为-2.57 mm，横向差异沉降累计最大-1.58 mm，纵向差异沉降累计最大1.5 mm，均满足限值要求。

(4)在方案研究及设计过程中，应尽量避免后期实施区间设置于既有车站柱下方，将支撑桩设置于既有车站柱下方；如有其它因素影响而不能将支撑桩设置于既有车站柱下方时，应注意支撑桩的受力效应。

(5)后建车站位于既有车站一侧，后建车站实施，会引起既有车站受偏压荷载，导致向后建车站侧发生扭转变形，同时区间施工引起地层发生竖向沉降，导致支撑桩边桩轴力值增加2.6倍，中间桩轴力减少，因此在设计过程中应对边桩及中间桩分别设计，做到“安全、经济、合理”。