軟土地區超深預留換乘節點結構穩定性研究

□文/井博暉 劉建志

近年來我國城市軌道交通發展迅速，特別是城市地鐵的建設，有效地緩解了城市交通力。城市地下軌道交通是大量客流的中轉、換乘和集散地，是各種運輸方式的銜接和聯運的主要基地，對旅客運輸效率有著決定性的影響，在運輸全過程中起著重要作用。換乘地鐵車站是地下軌道交通的核心，扮演著重要的角色。城市軌道交通規劃中，后期施工的地鐵線路與目前在施地鐵線路程十字形或是“T”字形換乘。后期施工的地鐵車站對先施工的車站有較大影響，尤其是在圍護結構隧道開孔及樓板上預留盾構孔洞，應該采取什么措施加以解決，目前尚缺乏系統的研究，迫切需要展開此方面課題研究。

1 工程概況

徐莊子站為6號線中間站，是地下2層島式車站，新增10號線換乘節點，換乘節點面積約130 m2，車站總長228.5 m。車站起點分界里程DK6+431.323；有效站臺中心里程DK6+572.827；終點分界里程DK6+659.827；標準段寬度20.7 m；有效站臺寬度為12.0 m；標準段基坑深度為16.45 m；盾構段基坑深度18.1 m。盾構井段寬25.3 m(大里程處)、25.74 m(小里程處)；車站頂板覆土約為2.6 m，地面絕對標高為2.8～3.2 m，冠梁頂絕對標高為2.2～2.6 m。

2 地質情況

徐莊子站地處的華北平原屬海積、沖積低平原。場地地勢較平坦，各孔孔口介于大沽高程4.55～3.00 m。車站工程涉及地層主要為人工填土層，全新統上組陸相沖積層、全新統中組海相沉積層、全新統下組沼澤相沉積層、全新統下組陸相沖積層、上更新統第五組陸相沖積層、上更新統第四組濱海潮汐帶沉積層、上更新統第三組陸相沖積層。

項目工程地質參數見表1。

表1 基坑圍護設計計算參數

3 模型建立

3.1 單元與構件

采用ABAQUS軟件進行有限元分析。

板：建立殼模型，采用殼單元（S4R：線限、有限薄膜應變、減縮積分、四邊形殼單元）進行模擬，采用結構化的網格劃分方法，洞口處局部采用自由網格；將板厚作為截面屬性賦予單元。

墻：建立殼模型，采用殼單元（S4R：線限、有限薄膜應變、減縮積分、四邊形殼單元）進行模擬，全部采用結構化的網格劃分方法；將墻厚作為截面屬性賦予單元。

柱：建立線模型，采用梁單元（B31：兩節點一階剪切變形梁單元）進行模擬，采用結構化網格；將柱截面作為截面屬性賦予單元。

模型采用的是面-面接觸。因為地下連續墻是在土體中挖槽形成的，表面并不光滑，與周圍土體之間存在很大的摩擦力，采用面-面接觸可很好地模擬這種相互作用關系，支撐和地下連續墻之間采用tie連接。

根據施工監測結果，基坑開挖影響深度為開挖深度的2～4倍，影響寬度為開挖深度的3～4倍。土體與墻體采用平面應變縮減單元CPE8R，支撐采用梁單元B21，綜合考慮到模型的精確和計算速度，采用網格尺寸漸變的方法劃分整個區域；基坑和圍護結構附近網格較密，最小網格尺寸1 m×1 m，離圍護墻體越遠，網格越疏，最大網格尺寸4 m×4 m，見圖1。

圖1 三維有限元模型

3.2 載荷

混凝土材料樓板采用C35、柱材料采用C50，自質量取2.5 t/m3，泊松比取0.2，彈性模量按規范取值。在模擬過程中主要考慮材料在線彈性范圍內工作并考慮部分塑性發展。

4 計算結果

由于隧道孔的開挖和臨時封堵墻的打開，-3層墻體有較大削弱，故墻體是重點分析對象。在后期預留節點地下連續墻上開口，首先會造成結構應力集中，正常段側墻應力1.305 MPa，隧道開孔處側墻應力為25.05 MPa，見圖2，大約相差20倍，在隧道開孔處要加密鋼筋的間距。

圖2 隧道側墻開孔應力

如圖3所示，換乘節點最大應力為13.05 MPa，最大應力出現在既有地鐵與后施工車站換乘節點樓板處，樓板最大應力為9.994 MPa，在樓梯孔和盾構吊裝預留孔角部出現應力集中現象，應該設置暗梁或是框梁，進行樓板結構加強。

換乘節點最大變形為10.48mm，最大變形出現在既有地鐵與后施工車站換乘節點樓板處，樓板最大變形為9.852mm，梁分布基本在各層應力與變形較大處，比較合理。墻體中應布置一定量的暗柱、扶壁柱進行加強，洞口會削弱樓板，應在洞口周邊適當加強。

圖3 換乘節點整體應力

5 工程應用

天津地鐵6號線徐莊子站在施工過程中，基坑開挖遵循“隨挖隨撐、限時支撐、嚴禁超挖、錯挖、中間開槽兩邊放坡”的施工原則，采用倒退臺階接力法開挖施工?；娱_挖主要采用EX200挖機開槽、倒土，長臂挖機、小挖機、60 t汽車吊配合出土的方式進行開挖。

車站明挖主體結構工程所使用混凝土強度等級：素混凝土墊層C25早強；結構頂板、地下1層底板、地下2層底板、地下3層底板、主梁C35；框架柱、側墻、壁柱C45。

樓板采用一次澆筑、自然流淌斜面分層的澆筑方式，即泵車從基坑兩邊四個角開始澆筑，讓混凝土自然流淌形成一定的斜面。施工時注意保證斜面下一層混凝土與上一層的間隔時間≯1.5 h，嚴格控制在混凝土初凝時間以內?；炷恋恼駬v需從下端開始，逐漸上移?；炷翝仓尚魏笤诔跄坝描F滾筒滾壓、長刮尺控制標高及平整度，最后用木抹子收面，以防止產生收縮裂縫。

根據側墻尺寸，混凝土澆筑采用全面分層施工方案，即把墻從高度方向分成若干層，對稱分層澆筑混凝土。混凝土分層層厚為30～50 cm，施工時注意兩側高度一致，高差≯0.5 m，相鄰兩層澆筑時間間隔不得超過混凝土的初凝時間。根據模板支撐情況，側墻澆筑時間應≯6 h，澆筑速度≯1.5 m/h。防止模板由于混凝土側壓力而發生變形。澆筑時嚴格控制兩側對稱泵料，確保模板支撐結構對稱受力，防止發生偏位。

施工過程中，監測數據顯示，結構應力、應變與數值仿真計算結果基本一致。

6 結論

通過對天津地鐵6號線徐莊子站換乘車站進行三維數值仿真計算，得出以下結論：

1）地下連續墻施工質量的好壞決定著車站主體結構的穩定性，尤其軟土地區超深地下連續墻施工質量至關重要，影響結構的應力、應變分布規律；

2）深基坑單元計算中不能考慮周圍桿件和施工工況對支撐結構剛度的影響，而整體計算中可以考慮，所以地鐵車站計算應該采用整體的三維有限模型進行計算，更符合實際的受力情況；

3）通過地鐵車站設計坑三維計算，得出車站結構最大變形及內力位置位于換乘段和開孔處，車站換乘節點處屬于薄弱環節，施工應該加強監測；

4）車站結構梁位置分布基本在各層應力與變形較大處，比較合理，根據應力應變云圖，墻體中應布置一定量的暗柱、扶壁柱進行加強較合理，洞口會削弱樓板，應在洞口周邊適當加強。