新建地鐵車站及區間對緊鄰既有線影響性分析

趙靜

（中鐵建（天津）軌道交通投資發展有限公司，天津 300199）

0 引言

隨著地鐵建設的快速發展，臨近既有線的新建地鐵項目也越來越多。如果對新建地鐵設計或施工不當，將會對既有地鐵結構產生影響，嚴重時會造成既有地鐵結構的破壞，引起安全隱患或事故。目前，新建地鐵與既有地鐵之間的關系可分為新建車站與既有區間、新建區間與既有區間、新建區間與既有車站、新建車站+區間與既有車站+區間4 類。目前對新建車站+區間與既有車站+區間研究。張國亮等［1］采用有限差分計算方法，分析了新建地鐵車站基坑與既有車站結構間的相互影響；薛長遷［2］對臨近既有車站新建地鐵車站基坑施工措施進行了優化分析，總結出新建車站基坑的施工方法；趙國［3］針對新建地鐵車站于既有車站小凈距的情況，通過分析自身風險和環境風險，制定應對措施，確保既有車站的結構安全；朱峰［4］采用數值分析手段，分析了新建地鐵不同區域施工對既有車站產生的影響，確定施工控制點；朱光亞［5］采用有限元方法，分析了新建地鐵基坑對既有車站結構變形的影響；萬朝棟［6］對新建地鐵下穿既有城鐵地鐵同臺換乘站改技術進行了研究。

以臨近6號線鞍山西道站的8號線車站和區間為工程背景，建立了臨近既有線的車站及區間三維有限元模型，對不同施工步序下既有線位移、應力及承載力變化特征進行了詳細分析。所得結論可為類似條件下既有線的保護提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 新項目概況

天津地鐵8 號線鞍山西道站為島式站臺車站，主體結構標準段總寬度為25.7m，有效站臺寬度16m，標準段為地下3 層雙柱三跨矩形框架結構，底板底埋深約24.01m，車站范圍正線線間距19.2m。兩端接盾構區間，隧道結構內徑5.9m、外徑6.6m，車站大、小里程端均為盾構始發。

車站共設兩組風亭、4個出入口，以及與地鐵6號線車站的換乘通道一個。A號出入口為預留出入口；B號出入口與1號風道結合設置；C號出入口與2號風道結合設置；D號出入口與6號線鞍山西道站結合設置。

1.2 與既有線位置關系

8號線鞍山西道站與已運營的6號線鞍山西道站“T”字換乘，換乘節點在6號線施工時已完成。6號線車站為地下雙層島式車站，并設3 處出入口。新建8號線下穿既有6號線車站主體。8號線31.45m長區間和175.7m長車站施工對6號線存在影響。

2 工程地質條件

根據勘察資料，場地埋深80m 深度范圍內，地基土按成因年代可分為以下10層，按力學性質可進一步劃分為18個亞層，自上而下分別為：人工填土層（雜填土①1、素填土①2）、全新統上組陸相沖積層（粉質黏土④1、砂質粉土④2）、全新統中組海相沉積層（粉質黏土⑥1、粉質黏土⑥4）、全新統下組沼澤相沉積層、全新統下組陸相沖積層（粉質黏土⑧1、砂質粉土⑧2）、上更新統第五組陸相沖積層（粉質黏土⑨1、砂質粉土⑨2）、上更新統第四組濱海潮汐帶沉積層（粉質黏土?、粉砂?2、粉砂?4）、上更新統第二組海相沉積層、上更新統第一組陸相沖積層（粉質黏土?1、粉質黏土?3）。

3 數值計算分析

3.1 數值模型的建立

計算采用巖土有限元分析軟件建立整體三維有限元模型如圖1所示。進行計算分析。以南北向為X軸，東西向為Y軸，豎直方向為Z軸建立三維模型計算分析，為消除模型邊界效應，X軸方向取400m，Y軸方向取400m，Z 軸方向取61.1m。模型計算采用混合六面體單元，共劃分單元346447 個，節點57742 個。新建8號線與既有6號線模型位置關系如圖2所示。

圖1 三維有限元計算模型

圖2 新建8號線與既有6號線模型位置關系

模型邊界條件：頂面為自由面，無約束；底面每個方向均約束；4個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。

計算假設：認為各土層均呈勻質水平層狀分布且同一土層為各向同性，結構體的變形、受力均在彈性范圍內；將建筑基坑支護結構的圍護樁通過抗彎剛度折減等效成地下連續墻；樁基與土層之間為摩擦接觸；采用施工步來模擬整個施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時間效應。

3.2 計算參數

土體本構模型采用小應變硬化的本構模型，模型參數取值見表1。承臺和樁基采用實體單元模擬；軌道交通結構采用板單元模擬。混凝土結構重度均為25kN/m3，結構計算參數見表2。

表1 土體物理力學參數

表2 模型結構體計算參數

3.3 模擬步驟

車站主體開挖步驟如圖4 所示，將計算模擬分為26步，具體模擬情況：初始應力場，施作既有軌道交通結構，位移清零；主體基坑圍護結構、立柱樁及地連墻施工；主體基坑第一步土體開挖并架設第一道支撐；主體基坑第二步土體開挖并架設第二道支撐；主體基坑第三步土體開挖并架設第三道支撐；主體基坑第四步土體開挖并架設第四道支撐；主體基坑第五步土體開挖并架設第五道支撐；主體基坑開挖至基坑底并施做車站底板；主體向上回筑側墻、施做第二層中板；主體向上回筑側墻、施做第一層中板；主體向上回筑側墻、施做頂板；主體基坑拆除第一道支撐、回填覆土；2號風亭及B口立柱樁、地連墻施工；2號風亭及B口第一步土體開挖并架設第一道支撐；2 號風亭及B 口第二步土體開挖并架設第二道支撐；2 號風亭及B 口第三土體開挖并架設第三道支撐；2 號風亭及B 口基坑開挖至坑底并施做2號風亭底板；2號風亭施做中板、B 口施做底板；2 號風亭及B 口向上回筑側墻、施做頂板；2號風亭及B口基坑拆除第一道支撐、回填覆土；D口圍護結構施工；D口第一步土體開挖并架設第一道支撐；D口第二步土體開挖并架設第二道支撐；D口基坑開挖至坑底并施做底板；D口向上回筑側墻并施做頂板；D口基坑拆除第一道支撐、回填覆土；鞍山西道站-南豐路站區間左線盾構施工；鞍山西道站-南豐路站區間右線盾構施工。

3.4 計算結果與分析

將28 個模擬步驟分為4 個大步驟：車站主體施工、2號風亭及B口施工、D口施工和區間施工，文中以4個大步驟進行針對性分析。

3.4.1 位移分析

不同步驟下6號線車站水平位移和豎向位移云圖如圖3、圖4 所示。由圖3、圖4 可知：4 個大步驟下車站水平位移均整體上呈“正向端負向水平位移，負向端正向水平位移”的分布特征；8 號線車站主體施工時，靠近其一側的6號線車站豎向位移較大，且發生向上隆起位移；2 號風亭及B 口施工時，附近的6 號線車站向上的隆起位移明顯增大；同樣的情況也出現在D口、區間施工階段；6 號線車站豎向位移整體上呈“靠近8號線一側大，遠離8號線一側小”的分布特征。

圖3 地鐵完成后6號線車站水平位移云圖

圖4 地鐵完成后6號線車站豎向位移云圖

6號線結構隨施工步變化曲線如圖5所示。由圖5 可知：①對于6 號線車站主體，水平位移在8 號線車站回填覆土階段和2號風亭及B口開挖至坑底階段出現了2次波動，整體上是以負值形式增大；豎向位移在在2號風亭及B口開挖至坑底前階段一直處于增大狀態，該施工步后豎向位移有一定幅度減小，在D 口第一步土體開挖后再次增大，D口開挖至坑底后豎向位移再次減小，區間施工階段變化較小；②于6號線B出入口及2 號風道，水平位移和豎向位移在前2 個階段隨施工進展逐漸增大，在后2 個階段水平位移和豎向位移變化很小；③對于6號線C出入口，水平位移在前2 個階段隨施工進展逐漸增大，在后2 個階段水平位移和豎向位移有所減小；豎向位移在8 號線2 號風亭及B口第二步土體開挖階段前變化不大，該施工步以后減小繼續保持不變，在D 口第一步土體開挖時增大，在D 口第二步土體開挖后保持穩定；④對于區間隧道，在2 號風亭及B 口第一步土體開挖前水平位移和豎向位移先增大，該施工步以后，水平位移和豎向位移先以負位移減小再以正位移增大，后2 個階段位移變化不大；⑤6 號線C 出入口水平位移和豎向位移相差不大，6號線車站主體、B出入口及2號風道、區間隧道的豎向位移大于水平位移。

圖5 6號線結構位移隨不同施工步變化曲線

3.4.2 應力分析

6號線結構最大主應力隨不同施工步變化曲線如圖6 所示。隨著新建地鐵的施工，臨近既有線的結構應力隨不同施工步的影響出現一定的波動。但應力變幅很小。由既有結構底板最大主應力云圖可以看出，隨著新建地鐵下穿段的開挖，最大主應力呈現先增大再減小的趨勢，且最大值發生在開挖過程中而非開挖結束后。6號線各部位最大應力均不超過混凝土軸心抗拉強度標準值。

圖6 6號線結構最大主應力隨不同施工步變化曲線

3.4.3 承載力分析

6號線結構彎矩隨不同施工步變化曲線如圖7所示。根據6號線施工圖紙結構截面尺寸和配筋核實雙向受彎承載能力。在8號線施工過程中可能出現的最不利彎矩均未超過極限彎矩，說明6 號線結構承載力仍存在一定安全余量。

圖7 6號線結構彎矩隨不同施工步變化曲線

4 影響性分析

根據國家地鐵保護規范，結合既有6 號線現狀檢測結果和天津市工程經驗，確定6 號線車站及區間隧道的位移控制指標：車站及區間隧道豎向位移15mm，車站及區間隧道水平位移10mm。位移控制統計結果列于表3 中，車站主體結構水平位移和豎向位移最大值分別為-0.94、5.28mm，B 出入口及2 號風亭組的水平位移和豎向位移最大值分別為0.861mm、-1.266，C出入口水平位移和豎向位移最大值分別為-1.062、0.95mm，區間隧道水平位移和豎向位移最大值分別為-0.664、3.3mm。均滿足控制標準要求。

表3 位移控制統計結果 mm

5 結語

建立了臨近既車站和區間的新建明挖車站和盾構區間的三維有限元模型，基于數值分析結果，分析了既有地鐵車站和區間的位移、應力及承載力變化特征，主要結論如下：

（1） 新建地鐵工程與既有線距離近，基坑開挖引起卸荷效應顯著，導致了鄰近的既有線結構產生明顯水平位移和豎向位移。其中車站主體和區間隧道以豎向位移主，豎向位移約為水平位移的5倍左右。

（2） 既有線結構位移主要發生在基坑開挖階段，回筑階段趨于穩定，未有明顯變化，對既有線安全保護應重點在基坑開挖階段。

（3） 新建地鐵B出入口及2號風道施工階段，既有線結構位移存在明顯波動，正負位移相互轉換，是既有線結構監測的關鍵階段。

（4） 根據數值分析，既有線車站主體（含附屬結構）最大位移5.28mm，區間隧道最大位移3.3mm，各部位結構位移控制指標未超過容許值，且承載力未超過極限值，可認為新建地鐵工程施工方案合理，使得既有線結構安裝可控。