地鐵新線車站穿越既有車站軌道結構安全影響分析

吳志堅

(福建巖土工程勘察研究院，福建福州 350001)

為滿足車站相互換乘要求，新建地鐵車站必然會與既有地鐵車站發生臨近或者穿越關系，新建地鐵車站的施工也必然會對已運營的既有車站產生影響。地鐵車站工程涉及車站主體施工、車站附屬結構(包括換乘結構)施工、車站區間施工等多個工點，因此新建車站穿越既有車站施工具有風險點多、風險大、施工工藝種類多等特點。

目前，對于穿越工程中新建車站與既有車站之間的影響研究相對較少，本文以實際工程為依托，通過三維有限元軟件ANSYS進行模擬計算分析，并對比現場實測數據，分析穿越地鐵工程引起的地鐵結構變形及軌道幾何形位的變化規律。

1 工程概況

某城市新建地鐵A號線在既有地鐵B號線的車站穿越并換乘，新建車站采用了分離島式站臺，車站總長190m左右，東西兩個主體結構凈寬均為11.75m，結構形式為雙層單跨的拱頂直墻結構，車站頂板覆土約為5m。車站東西兩個主體均設置南北兩個風道及風井。車站北側區間隧道采用盾構法施工，車站南側區間為礦山法施工。

既有地鐵B號線車站為東西走向的端頭廳式車站，車站覆土4.5m，底板埋深12.5m。車站結構為鋼筋混凝土矩形框架結構，車站結構長169.7m，寬20.3m，高7.95m;底板厚度0.9m，側墻厚度1.0m，頂板厚度1.0m。既有車站采用明挖法施工，每隔約30m設有變形縫。平面位置關系如圖1所示。

根據相關地質資料，車站拱頂主要土層為粉土層粉質黏土層和粉砂層。車站底板位置土層主要為礫巖層，局部有泥巖層、砂巖層。下穿既有B號線段位置土層主要為礫巖層，局部有泥巖層，局部在卵石層。車站埋深處未涉及到地下水。

2 模型的建立

2.1 模型及假定

計算模型結合實際工程，采用ANSYS有限元軟件進行仿真計算。模型采用地層—結構三維實體模型。模型中包括土體、新建下穿車站、既有車站主體結構、道床板等。單元類型均采用Solid45及shell63單元。

為使模型網格劃分效果較優，并考慮盡可能消除邊界條件帶來的影響，結合新建下穿車站與既有車站主體及軌道結構相對位置，模型沿既有地鐵線路方向(Z軸方向)取200m，垂直既有地鐵線路方向(X軸方向)取70m，沿地層深度方向(Y軸方向)取50m。計算模型如圖2、圖3所示。模型計算時，土體四周及底部采用法向約束，地表為自由邊界。

圖1 新建車站與既有車站平面位置關系

圖2 模型位置關系

圖3 模型細部示意

在進行穿越模擬計算時，有如下基本假定:

①土體為各向同性、均值的理想彈塑性體，簡化地表和各層土體，使其均呈勻質的水平層狀分布;

②初始地應力在模型計算只考慮土體自重應力，不考慮地下水的影響;忽略巖土體構造應力，使巖土體在自重作用下，土體達到平衡，而后再進行盾構施工的開挖;

③假定既有地鐵的隧道結構及軌道結構變形一致;

④假定既有鐵路在施工前路基及軌道結構處于良好狀態。

2.2 參數取值

根據實際工程中地質勘查報告所提供的地層參數，模型中選擇土體參數時，對一定深度范圍內巖土類別相近的巖土體進行合并，并對土體參數進行綜合取值。各項參數取值如表1所示。

表1 實體模型參數

2.3 施工過程的模擬與實現

在進行數值模擬分析時，對施工步驟進行簡化。根據新建車站施工方案確定有限元分析步驟，東西兩側車分六個導洞開挖。模擬分析時的具體三個階段施工步驟如下。

階段一:東西兩側車站同時開挖，開挖貫通1、2導洞，完成二襯后進行該位置處千斤頂頂升;階段二:繼續同時開挖貫通兩側車站3、4號導洞，二襯完成后進行該位置處千斤頂頂升;階段三:繼續同時開挖貫通兩側車站5、6號導洞，進行二襯施工，完成車站下穿既有站施工，如圖4所示。

圖4 模擬施工階段

3 車站結構及軌道變形規律

3.1 既有車站結構及軌道結構變形

模擬施工結束后，既有車站主體結構累積豎向最大變形值為2.79 mm，發生在開挖導洞對應主體結構底板;累積橫向變形最大值為0.122 mm，發生在車站兩處側墻。變形云圖如圖5、圖6所示。

圖5 車站主體豎向變形云圖

圖6 車站主體橫向變形云圖

地鐵無砟軌道的道床結構變形直接反應了軌道結構整體變形情況，因此選取道床縱向各點變形進行分析。

各階段施工完成后，既有線軌道結構變形最大值如表2所示。

表2 各施工階段軌道結構最大變形值 mm

表2所示的穿越施工引起最大沉降值發生在既有軌道結構對應穿越位置處，變形縫差異沉降值發生在臨近穿越位置處變形縫兩側，橫向變形發生在既有軌道結構對應穿越位置處。

得到軌道結構橫、豎向變形曲線(如圖7、圖8所示)。

圖7 軌道結構豎向位移曲線

圖8 軌道結構橫向位移曲線

通過上述數值模擬分析可以得到以下規律:

①穿越位置處既有軌道結構變形值最大，距穿越位置越遠，變形量越小，影響范圍為穿越位置兩側各30m。

②既有結構存在結構變形縫時，變形縫兩側會產生比較明顯的差異沉降，最大差異沉降值達到0.40 mm。

③采用分導洞開挖的方式時，既有軌道結構在首先開挖貫通1、2號導洞時產生的變形占總變形比例最大，1、2號導洞封閉成型后再開挖臨近導洞引起的沉降增幅有限。在進行施工及既有線監測時，應對首先開挖導洞予以特別注意。

3.2 軌道幾何形位變形

在假定鋼軌與所連接的道床變形協調前提下，可以通過采集模型中鋼軌位于道床位置的數據分析鋼軌變形情況，提取軌1、軌2、軌3、軌4的變形數據，分析各階段軌道幾何形位變化情況。

在模型中提取10m弦長范圍內軌道的高低變化，各施工階段軌道結構高低偏差值如表3所示。

表3 各施工階段高低偏差值

提取相鄰兩軌沉降差值即為軌道的水平變化，通過計算可知，既有線軌道結構水平變化最大值為－0.53 mm，軌道結構水平變化曲線如圖9所示。

圖9 各施工階段軌道結構水平變化曲線

提取各施工階段相鄰兩軌的橫向變化值，其差值即為軌距變化，通過計算結果可知，軌距最大變化值為0.065 mm，軌距變大。各階段軌距變化曲線如圖10所示。

圖10 各施工階段軌道結構軌距變化曲線

4 實測數據與數值模擬對比分析

4.1 軌道結構變形對比

本工程施工監測內容主要包括既有車站結構及軌道結構的豎向變形監測及幾何形位的檢查。軌道結構自動化監測點布置如圖11所示，總共布置了39個自動化監測點，北線(下行線)布置了20個點，南線(上行線)布置了19個點，其中，點Z20和Y19作為參照點，不提取數據。自動化監測點主要布置在新建車站下穿處和變形縫兩側，通過提取變形縫兩側監測點數據的差值，同時可以得到變形縫處軌道結構的差異沉降。

通過監測數據，軌道結構最大豎向變形值為296 mm，發生在Z6點(穿越中心位置)，變形縫兩端差異沉降0.07 mm，發生在Z11與Z12監測點處變形縫兩側。南線(上行線)軌道結構最大豎向變形值為2.97 mm，發生在Y7監測點(穿越中心位置)處;變形縫兩端差異沉降0.47 mm，發生在Y11與Y12監測點處變形縫兩側。

將軌道結構實測結果與數值模擬對應測點位置進行對比可得對比曲線如圖12所示。

由既有軌道結構沉降實測值與模擬值對比可以看出，階段三施工完成后所造成的既有軌道結構沉降實測值與模擬值在量值和趨勢上都較為相似。在監測測點位置軌道結構沉降實測值與模擬值最大誤差為39%，位于北線Z3位置處。變形縫兩側軌道結構實測最大值0.47 mm比模擬最大值0.40 mm大了0.07 mm。同時，對比車站整體軌道結構沉降最大值，實測最大值2.97 mm比模擬最大值2.56 mm大14%。

4.2 軌道幾何形位變形對比

通過監測數據，可得各施工階段鋼軌水平及軌距偏差值，如圖13、圖14所示。

圖11 軌道結構自動化監測點布置

圖12 軌道結構實測數據與模擬計算對比曲線

圖13 軌道結構各施工階段水平偏差實測值

圖14 軌道結構各施工階段軌距偏差實測值

由圖13可知，軌道結構水平偏差最大值為－2 mm，各施工階段水平變化最大值為1.0 mm。軌道結構水平變化模擬計算最大值為0.53 mm，由于實測監測誤差為1.0 mm，因此，軌道結構水平變化模擬計算值可信。

由圖14可知，軌道結構軌距偏差最大值為+2 mm，各施工階段軌距變化最大值為2.0 mm。軌道結構軌距變化模擬計算最大值為0.065 mm，實測軌距變化出現2.0 mm的點為單點，其他點軌距變化最大值均為1.0 mm，且實測監測精度為1.0 mm，因此，排除測量測量誤差因素，軌道結構軌距變化模擬計算值依然可信。

5 新建車站穿越既有車站安全控制

在新線車站工程建設中不僅要保證工程自身的安全，同時還要保證不致對既有車站結構特別是軌道結構造成破壞性的影響，進而影響到運營安全，這是穿越既有線施工的主要技術難題，關鍵技術體系應該確保二者的安全。保護既有軌道結構變形不超限的主要措施包括以下幾個部分:

①對于既有運營線而言，一般情況下，按照軌道結構附加變形3 mm做為安全性的控制標準。

②既有軌道結構加固的主要措施是進行軌道防護，軌道防護是在施工前根據地鐵現狀，對既有地鐵結構進行修整，包括裂縫處理、道床和結構脫離的整治等等，以提高既有地鐵軌道結構的承受能力。

③對既有結構進行監測，包括隧道結構、軌道結構和軌道靜態幾何尺寸等。

④在設計階段應綜合考慮方案的優劣，制定合理有效的安全控制措施，盡量減少施工引起的既有結構的附加變形影響。

6 結論

(1)穿越施工完成后，既有軌道結構附加變形值及軌道幾何形位的變化值均在安全控制指標范圍內，因此，新建車站穿越施工并不會影響地鐵1號線的安全運營。

(2)穿越施工完成后，穿越位置處既有軌道結構變形值最大，距穿越位置越遠，變形量越小，影響范圍為穿越位置兩側各30m。

(3)既有結構存在結構變形縫時，變形縫兩側會產生比較明顯的差異沉降，變形縫兩側最大差異沉降值在1.0 mm以內。

(4)采用分導洞開挖的方式時，既有軌道結構在首先開挖貫通1、2號導洞時產生的變形占總變形的比例最大，1、2號導洞封閉成型后再開挖臨近導洞引起的沉降增幅有限。因此，在進行施工及既有線監測時，應對首先開挖導洞予以特別注意。

(5)三維有限元模型模擬結果在軌道結構的沉降曲線、最大沉降值、差異沉降值、軌道幾何形位變化上都與現場實際實測值相似。雖然由于在模型建立時，對土層和材料的一些物理力學性質、既有車站結構模型、施工方法等簡化處理而引起計算結果與實際情況的一些差異，但是這并不影響總體上數值模擬計算的可信性。因此，在施工前，可以采用數值模擬計算的方式對新線車站穿越既有車站的施工方法進行評價。

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