換乘通道開挖對既有地鐵結構及軌道的影響分析

張 君

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

地鐵已成為城市主要的地下交通方式，隨著人們對出行需求的增加，地鐵的換乘站也是越來越多。如何在存在既有地鐵的情況下，安全地開挖新的換乘站引起人們的關注。近年來，許多學者對此類問題進行了深入研究，取得不少的成果。應宏偉等[1]考慮隧道埋深效應，引入了修正基床反力系數，進而簡化了既有隧道的模型，在此基礎上建立既有隧道臨近基坑開挖模型，結果表明隧道與基坑平行工況下的隧道最大位移比垂直工況下的隧道最大位移大。張默爆等[2]通過理論計算、試驗研究及數值模擬，總結了國內外有關隧道模型的研究成果，提出了既有隧道對土體應力重分布與土體—隧道接觸形態變化的影響。蘇建豐等[3]分析了暗挖換乘車站的施工技術，詳細闡明了施工流程和施工過程中的關鍵技術，采用數值模擬計算與現場實測資料相結合的方法，確定最佳支護形式及開挖方案。張梓升[4]等利用離散元軟件對地鐵盾構的施工過程進行了分析，研究了不同因素對盾構施工開挖面穩定的影響。

上述既有研究多以整體結果分析為主，鮮有考慮各階段不同工況，本文在這些研究的基礎上對隧道開挖分階段研究，然后進行橫向、縱向結果對比，研究既有結構變形規律。

1 工程概況

本文研究的工程背景是在既有地鐵宣武門站的基礎上，新增換乘通道。換乘通道開挖的地址位于兩街道的交叉路口處，并且此站是重要的地鐵中轉樞紐，連接著繁忙的2號線和繁忙的4號線，兩條線路在宣武門站呈“十”字形相交，在此處的西北處新建換乘通道。換乘通道周圍的既有結構包括車站主體、西北出入口和換乘出入口。其中車站主體結構為單層三跨拱頂直墻斷面結構，寬20.7 m，高7.95 m。車站主體結構頂板與換乘通道頂板標高相同，走向與換乘通道走向平行，水平凈距 5.4 m。主體結構的二襯結構頂板厚700 mm、底板厚1 200 mm、側墻厚700 mm，中柱直徑為800 mm管柱，邊跨跨度6 750 mm，中跨的跨度6 400 mm，結構凈高12 800 mm。4 號線西北出入口通道高5.3 m，寬6.8 m，西北出入口通道與換乘通道結構底板標高相同，走向與換乘通道走向垂直；換乘出入口通道高 5.4 m，寬5.0 m。西北出入口通道與換乘通道的水平凈距約 0.5 m，換乘出入口通道與換乘通道的水平凈距約 0.8 m。其中西北出入口處分兩次爬升到地面，西北出入口標準斷面為單跨馬蹄形斷面，二襯頂厚500 mm，底板厚650 mm，側墻500 mm，結構凈跨5 100 mm、凈高4 950 mm；爬升段為單跨矩形斷面+U型槽斷面，二襯頂板厚500 mm，底板厚500 mm，側墻500 mm，結構凈跨6 800 mm、凈高1 950～6 450 mm。既有結構洞壁周邊均采用混凝土噴漿襯砌支護，襯砌混凝土強度等級為C40，襯砌厚度為0.8 m。換乘通道與既有結構的位置關系如圖 1、圖 2 所示。換乘通道開挖需要先開挖豎井，西北施工豎井井孔尺寸6 600 mm×4 500 mm，井深20.1 m，采用倒掛井壁法施工，豎井與4號線宣武門站西北風道的凈距約8.0 m，與4號線宣武門站西北出入口的凈距約5.5 m，與西側一層住宅的凈距約5.8 m，如圖3所示。

圖1 換乘通道與周邊結構平面關系

圖2 鄰近結構位置(單位：m)

圖3 西北施工豎井臨近4號線平面關系

2 施工措施及安全控制標準

2.1 施工措施

(1)在施工前對既有 4 號線車站的主體結構進行勘察，并進行檢測和評價。

(2)本次工程主要工法為暗挖工法，需要密切注意鑿除時結構周圍墻體的裂縫狀況，在施工當中應該重點檢測接口處的墻體，若發現有裂縫應及時修補與加固，以保證接口處既有結構的安全。

(3)本工程以暗挖工法為主，施工過程中必須嚴格控制開挖循環進尺。在特殊情況下，應適當縮短開挖進尺，并適當減小鋼格板間距。

(4)新建工程距離地鐵區間較近，應嚴格控制開挖斷面保證開挖精度，避免破壞地鐵結構，注漿過程應嚴格控制注漿壓力，避免滲漏至地鐵內。

(5)完成初期支護后應及時進行灌漿，填土之間應留有空隙，加固附近的土層，減少隧道開挖對地面和周圍建筑物的影響。

2.2 控制標準

由于地鐵4號線是運營中的線路，為確保在施工條件下現有線路的正常運行安全，主線軌道的靜態幾何尺寸偏差管理值應符合《北京市地鐵運營有限公司企業標準技術標準工務維修規則》(QB(J)/BDY(A)XL003-2009)相關要求, 既有地鐵附屬結構(風道及出入口、換乘通道)和既有地鐵附屬結構(西北出入口)豎井及橫通道施工應考慮《線路檢查作業工作指引》(京港地鐵WI-OP-PW-001)相關的變形控制要求以及地鐵行車軌道自身振動的影響，并考慮承載能力極限狀態允許變形值、正常使用極限狀態允許變形值和預測變形值，在此基礎上給予一定的安全系數。根據以上結論和項目的實際特點，綜合運行安全要求和變形預測結果，確定變形控制值：

(1)既有地鐵附屬結構(風道及出入口、換乘通道)最終豎向變形和橫向變形控制值為3.0 mm。

(2)既有地鐵附屬結構(西北出入口)豎井及橫通道施工豎向和橫向分階段累計變形控制值為1.0 mm。暗挖換乘廳施工的豎向和橫向分階段累計變形控制值為3.0 mm。

(3)既有地鐵車站及區間車站主體及區間隧道及軌道結構豎向變形和橫向變形的控制值為2.0 mm。變形縫兩側差異沉降控制值為1.0 mm。

3 既有地鐵結構數值分析

3.1 計算參數

根據該工程的工程地質資料，并結合相關工程的既有資料[5]，可知本段區域內既有地鐵結構的軌道結構材料采用U71Mn，道床為中心排水溝整體道床，工程場地的地層可分為粉土填土、黏質粉土、粉細砂、細中砂、砂質粉土、卵石圓礫。各地層物理力學性質如表1所示。土層選用D-P隨機損傷本構模型。在ANSYS中采用實體單元Solid45模擬土層和既有地鐵結構。

表1 材料參數

3.2 有限元模型

筆者用ANSYS有限元軟件對換乘隧道開挖過程進行模擬。該模型長為100 m，寬為80 m，高為40 m，地表至既有地鐵結構拱頂埋深為7.7 m。換乘通道距模型左側邊界為45.85 m，高8.9 m，寬14.9 m。洞壁周邊采用混凝土噴漿襯砌支護，襯砌混凝土強度等級為C40，襯砌厚度為0.5 m。在模型中應該對兩側的水平邊界進行約束，然后再對底部邊界豎直和水平方向位移進行約束，上表面看成自由邊界，不對其約束。計算模型如圖4和圖5所示。換乘隧道的施工分為三個部分：步驟一，開挖豎井；步驟二，自西向東開挖豎井通道；步驟三，開挖換乘通道。考慮到既有地鐵結構及其附屬結構的形變與其受換乘隧道開挖的影響關系[6-7]，在計算時既有地鐵結構及其附屬結構僅考慮正常使用工況，不考慮其他工況。土體為各向同性的理想狀態，不考慮工程范圍內地下水的影響。考慮換乘隧道、既有地鐵4號線車站、出入口及區間結構與土體之間符合變形協調原則。計算時荷載考慮既有結構自重、土體豎向自重和地面超載20 kPa。

圖4 三維網格模型

圖5 施工步驟

3.3 結果分析

根據上述的施工過程，模擬計算得到既有地鐵出入口及換乘通道豎向和橫向變形圖，如圖6～圖8所示，圖中A點和C點為西北出入口通道鄰近豎井處側墻西，B點為西北出入口通道鄰近換乘通道的頂面，D點和E點為西北出入口通道鄰近換乘通道側墻。首先當進行豎井開挖時,土體的擠壓使得A點的豎向變形最大，達到0.576 mm。由于土體卸載導致基底土體回彈，影響了地鐵結構其他部位的變形和受力，如圖6(a)所示。接著自西向東開挖豎井通道，使得地鐵結構的受力發生了變化，原來的A點的范圍變小了，其他部位的豎向變形都有增加,如圖7(a)所示。最后開挖換乘通道，其變形主要來自換乘通道上部巖體，其中B點的變形最大,如圖8(a)所示。新建換乘通道的施工緊貼既有地鐵結構，其施工將改變周邊一定范圍內土體應力狀態，導致影響區內地層產生附加變形，進而對既有地鐵結構產生影響。隨著換乘通道的開挖進行到不同的工序時，地鐵結構的橫向變形也相應改變。首先當進行豎井開挖時，C點的橫向位移最大為0.157 mm；接著自西向東開挖豎井通道，使得C點的最大橫向位移逐漸過渡到D點，為0.463 mm；最后開挖換乘通道，圍巖產生指向開挖區的位移，最大橫向變形發生在E點。

圖6 步驟一既有地鐵結構變形云圖

圖7 步驟二既有地鐵結構變形云圖

圖8 步驟三既有地鐵結構變形云圖

根據上述既有結構豎向變形和橫向變形計算結果，選取圖9中A、B、C、E四個控制點，利用有限元ANSYS軟件對換乘通道開挖后控制點位移進行分析，計算點的位移時程曲線如圖9所示。分析如下：既有地鐵結構A點豎向變形達到1.447 mm逐漸平穩并達到穩定，B點豎向變形達到1.927 mm逐漸平穩并達到穩定。A點和B點的豎向變形均小于控制值。既有地鐵結構C點橫向變形達到0.209 mm逐漸平穩并達到穩定，E點橫向變形達到2.404 mm逐漸平穩并達到穩定。C點和E點的橫向變形均小于控制值。根據數值模擬計算出的數據和變形控制值，不難看出新建換乘隧道開挖對地鐵結構及區間產生一定影響，變形值在允許范圍之內。

圖9 既有地鐵結構變形時程曲線

4 既有軌道監測

受本工程影響的地鐵 4 號線宣武門站為直線，車站線路縱坡為 2‰。本段區域內地鐵軌道結構采用的是60 kg/m 鋼軌、U71Mn，1 435 mm 標準軌距，無縫線路，道床為中心排水溝整體道床，工程影響范圍內K7+738.206—K7+869.188 扣件型號為DTVI2 型、K7+869.188—K8+116.456 扣件型號為W彈條扣件，扣件無調高，如圖10所示。

圖10 扣件現場

根據軌道監測數據可知，新建工程施工后，區間軌道結構的最大豎向變形值為1.22 mm，軌道結構的最大橫向變形值為1.0 mm，變形值在允許范圍之內，滿足風險等級要求。由于既有地鐵是運營中的， 一旦發現軌道變形超標，按無縫線路的維護作業標準進行維護，盡快進行調整，確保幾何形位達標，避免扣件失效，從而保證地鐵安全運營。在對軌道和道床進行幾何形位管理的同時，也要對接觸軌按照正確的線路位置調整水平、方向及接觸軌護板。當發現道床開裂或剝離程度較輕時可暫不采取措施，但應嚴密監測，當裂縫發展到一定程度時，采用注漿加固等方式對裂縫進行填充。

5 結論

(1)換乘通道開挖對既有結構豎向變形影響較小，既有結構的最大豎向變形值為1.927 mm，上浮，位置為鄰近既有結構B點，豎向變形值在允許范圍之內，滿足風險等級要求。

(2)換乘通道開挖對既有結構橫向變形影響較大，既有結構的最大橫向變形值為2.404 mm，鄰近既有結構側墻E點，變形值在允許范圍之內，滿足風險等級要求。

(3)由于既有結構橫向變形較大，施工過程中需對既有地鐵結構加固，以保證更加安全。其主要措施是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，以提高既有地鐵既有結構的承受能力。對于受新建地鐵施工影響較大的區域，采用注漿支護的措施，可以有效減小換乘通道開挖對既有結構的影響。

(4)換乘通道開挖對既有地鐵的軌道的影響較小，最大豎向變形值為1.22 mm，最大橫向變形值為1.0 mm，變形值在允許范圍之內，滿足風險等級要求。