十字斜交換乘車站基坑優(yōu)化方案對比

仲志武

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

0 引 言

隨著城市地鐵路網(wǎng)的快速發(fā)展和加密建設(shè)，地鐵線路上下交錯(cuò)的情況不斷增多，換乘節(jié)點(diǎn)也越來越多。例如正在建設(shè)的天津地鐵7號線，共有地鐵站21個(gè)，設(shè)置11處換乘車站，換乘車站數(shù)量達(dá)到了車站總數(shù)的一半以上。中國以往的地鐵建設(shè)對換乘車站的建設(shè)重視不夠，影響了城市交通綜合效益的發(fā)揮。隨著城市軌道交通規(guī)劃越來越合理，越來越超前，地鐵換乘車站也越來越多。地鐵換乘車站施工往往要根據(jù)遠(yuǎn)期規(guī)劃為其他線路預(yù)留接口，由于線路地面環(huán)境和地形不同，縱向不斷加深，相交角度越來越多樣化，基坑形狀越來越復(fù)雜，施工難度也越來越大。此外，換乘車站基坑自身變形及滲漏等風(fēng)險(xiǎn)較高，對周邊環(huán)境的潛在影響也較大。

地鐵換乘車站基坑常用的施工方法有明挖順筑法、暗挖逆作法、復(fù)合蓋挖法等[1-6]。換乘車站的施工問題有不少學(xué)者從不同角度展開了研究。雷蒙[7]以成都地鐵騾馬市站換乘節(jié)點(diǎn)的施工為例，研究了開挖對既有結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力、沉降的影響。王懷東等[8]以南京地鐵上海路換乘車站為例，研究了采用無覆土下穿運(yùn)營地鐵站技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施。高太平等[9]以北京地鐵19號線新宮站基坑工程為例，分析了狹長基坑開挖施工過程中的陽角效應(yīng)。張光建等[10]以杭州地鐵1號線濱江站為背景，研究了基坑開挖過程中支撐軸力的變化規(guī)律。孫九春[11]對換乘節(jié)點(diǎn)處“坑中坑”的施工問題，從土壓力平衡角度總結(jié)了兩種常用的施工方案。趙廣民等[12]基于天津地鐵3號線和6號線換乘車站北站工程實(shí)例，提出了新建車站施工期間的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施。Wang等[13]以濟(jì)南地鐵烈士陵園站深基坑工程為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測研究了深基坑開挖支護(hù)變形規(guī)律。

對換乘車站的力學(xué)研究，常用的方法有現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬。胡安峰等[14]采用有限元軟件ABAQUS模擬節(jié)點(diǎn)基坑的施工過程，對計(jì)算值與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。Liao等[15]通過數(shù)值分析方法優(yōu)化上海地鐵換乘節(jié)點(diǎn)的施工方案，將既有車站的變形控制在10 mm以內(nèi)。Wang等[16]對濟(jì)南市某地鐵車站基坑開挖過程中監(jiān)測到的深層水平位移、支護(hù)軸力和樁身表面沉降等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。Xu等[17]根據(jù)鄭州地鐵換乘車站紫荊山站基坑開挖及主站結(jié)構(gòu)施工的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了深基坑開挖對環(huán)境的影響。Liu等[18]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，研究了地鐵車站深基坑開挖變形特征。Zhang等[19]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了武漢地鐵積玉橋站深基坑支護(hù)系統(tǒng)的變形特性。Bai等[20]采用MIDAS GTS軟件對天津地鐵2號線青年路站開挖后不同施工步驟模擬預(yù)測基坑變形。

從前述研究來看，已有換乘車站的研究內(nèi)容主要集中在新建地鐵車站對既有地鐵車站的影響問題上，而對換乘節(jié)點(diǎn)各車站同期建設(shè)的研究較少。此外，對復(fù)雜異形斜交換乘車站在施工工期、造價(jià)、施工風(fēng)險(xiǎn)、對環(huán)境影響控制等方面的設(shè)計(jì)及施工方案優(yōu)化的研究較少。天津地鐵6號線與8號線的換乘車站淥水道站的基坑平面為復(fù)雜的十字斜交形式，基坑深度較大，最深處達(dá)到近27 m。另外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，存在較多薄弱點(diǎn)，易發(fā)生滲漏風(fēng)險(xiǎn)，且支護(hù)體系變形及受力復(fù)雜。

本文以天津地鐵6號線與8號線的換乘車站為依托，針對實(shí)際施工條件的限制，在原有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提出了三種優(yōu)化方案，并對這幾種方案的施工難度、基坑受力變形特征、工期等方面進(jìn)行全面對比分析，確定了最優(yōu)方案。本文研究內(nèi)容可以為復(fù)雜斜交換乘車站的方案優(yōu)選提供參考，推動中國城市軌道交通建設(shè)快速健康發(fā)展。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

天津地鐵6號線與8號線的換乘車站淥水道站位于天津市河西區(qū)淥水道與微山路交口處，場地土質(zhì)條件軟弱，基坑變形較難控制，且地層中存在較為深厚的粉土粉砂承壓含水層，基坑發(fā)生滲漏的風(fēng)險(xiǎn)較高。根據(jù)勘察資料，該車站巖性主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、粉砂、砂質(zhì)粉土等。潛水含水層主要賦存于人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層的黏性土及粉土中，含水層水平、垂直向滲透性差異較大，當(dāng)局部地段夾有粉砂薄層時(shí)，其富水性、滲透性相應(yīng)增大。上部潛水、地下水埋藏較淺，勘測期間本段地下水靜止水位埋深0.44～5.30 m(高程-2.85～1.89 m)。第一承壓含水層主要賦存于⑧2、⑨2、⑩2砂質(zhì)粉土、粉細(xì)砂層中。第二承壓含水層主要賦存于2、4砂質(zhì)粉土、粉砂層中，其間夾有多層黏性土相對隔水層。承壓水的滲透補(bǔ)給與潛水水力聯(lián)系緊密，排泄以相對含水層中的徑流形式為主，同時(shí)以滲透方式補(bǔ)給深層地下水。第一承壓含水層水頭大沽標(biāo)高為-1.54 m。第二承壓含水層水頭大沽標(biāo)高為-1.82 m。

1.2 工程簡介

換乘車站平面為復(fù)雜的十字斜交形式，如圖1所示。6號線車站為地下三層島式車站，雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，車站長度246.825 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.3 m，端頭井寬27.55 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深24.12 m，端頭井基坑深26.128 m；頂板覆土厚3.56 m，車站縱向由小里程至大里程方向?yàn)槠露?.2%的下坡。8號線淥水道站為地下兩層車站，雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，車站全長316.0 m(含換乘節(jié)點(diǎn))；標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1 m，端頭井寬27.95 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深17.47 m，端頭井基坑深19.375 m，頂板覆土厚3.56 m，車站線路縱向由小里程至大里程方向?yàn)槠露?.2%的下坡。6號線與8號線車站的縱向剖面位置關(guān)系如圖2所示。

1.3 周邊環(huán)境

6號線淥水道站沿淥水道布置，8號線淥水道站沿微山路布置，周邊環(huán)境復(fù)雜，主要相鄰的建筑物有惠眾家園小區(qū)、社會實(shí)踐教育中心、泓春園小區(qū)、泓滬園小區(qū)，如圖3所示。8號線淥水道站東北側(cè)為110 kV高壓電塔車站。此外，車站范圍內(nèi)，存在較多地下管線，管線切改工作較為復(fù)雜。

2 工程方案

2.1 原有工程方案

初步設(shè)計(jì)中，基坑分期如圖1所示，其中6號線淥水道站為一個(gè)獨(dú)立基坑(負(fù)三層)，8號線淥水道站為兩個(gè)獨(dú)立基坑(負(fù)二層)。施工步序?yàn)?號線基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)封閉后，先進(jìn)行基坑開挖施工，以換乘節(jié)點(diǎn)為界，分三個(gè)工作面開挖。6號線基坑開挖的同時(shí)，8號線基坑從兩側(cè)端頭井向中間開挖，換乘節(jié)點(diǎn)兩側(cè)預(yù)留土方抵抗換乘節(jié)點(diǎn)支撐受力，待換乘節(jié)點(diǎn)處主體結(jié)構(gòu)封頂達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才能將預(yù)留土方挖除。

原工程方案的施工進(jìn)度安排如下：從2019-05-05開始一期基坑(6號線)的施工準(zhǔn)備工作，至2020-08-30完成一期基坑(6號線)主體結(jié)構(gòu)施工，至2020-09-15完成二期基坑(8號線)主體結(jié)構(gòu)施工，總工期合計(jì)499 d。

由于2019年7、8月份無停電日，淥水道站東側(cè)110 kV高架電纜切改預(yù)計(jì)2019年9月15日才能完成。淥水道站東側(cè)110 kV高架電纜位置如圖3所示，受其保護(hù)距離的影響，110 kV不完成入地，別的管線切改存在極大安全風(fēng)險(xiǎn)及施工難度，將導(dǎo)致該站整體工期嚴(yán)重滯后，為確保該站整體工期要求，擬對該站施工籌劃進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化方案

2.2.1 優(yōu)化方案一：斜撐方案

(1)在6號線車站13軸增加分隔墻，將6號線車站分成兩個(gè)獨(dú)立的封閉基坑，分一、二期進(jìn)行施工，如圖4所示。無需等6號線東側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)封閉就可以進(jìn)行6號線一期土方開挖。

(2)6、8號線換乘節(jié)點(diǎn)增加混凝土水平斜撐，支撐的平面布置如圖4所示。此方案可以實(shí)現(xiàn)6、8號線同時(shí)開挖，無需等換乘節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)完成后再開挖8號線南側(cè)和北側(cè)靠近換乘節(jié)點(diǎn)處土方。該方案下文簡稱為斜撐方案。

2.2.2 優(yōu)化方案二：暗挖逆作法方案

(1)在6號線車站18軸增加分隔墻，將6號線車站分成兩個(gè)獨(dú)立的封閉基坑，分一、二期進(jìn)行施工。同樣，無需等6號線東側(cè)基坑封閉就可以進(jìn)行6號線一期土方開挖。

(2)6、8號線換乘節(jié)點(diǎn)采用暗挖逆作法施工，如圖5所示。利用結(jié)構(gòu)板作為支撐，可以實(shí)現(xiàn)6、8號線同時(shí)開挖，無需等換乘節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)完成即可開挖8號線靠近換乘節(jié)點(diǎn)處土方。該方案下文簡稱逆作法方案。

2.2.3 優(yōu)化方案三：預(yù)留土方方案

(1)在6號線車站13軸設(shè)置分倉墻，將6號線分成一、二期兩個(gè)獨(dú)立封閉基坑，分兩期基坑進(jìn)行開挖。6號線斜穿8號線，將8號線分成兩個(gè)獨(dú)立基坑。本方案共分四個(gè)獨(dú)立封閉基坑，平面布置如圖6所示。

(2)6號線車站基坑一期先行施工，二期先開挖換乘節(jié)點(diǎn)部位，從換乘節(jié)點(diǎn)向兩側(cè)開挖。8號線北側(cè)基坑從兩端(端頭井、換乘節(jié)點(diǎn))向中間開挖，南側(cè)從換乘節(jié)點(diǎn)向南端頭井開挖，8號線在換乘節(jié)點(diǎn)連接兩側(cè)預(yù)留40 m土方，待6號線換乘節(jié)點(diǎn)負(fù)一層主體結(jié)構(gòu)頂板完成后，兩側(cè)開始對稱開挖，換乘節(jié)點(diǎn)處6號線地連墻隨著開挖，從上往下逐層破除。該方案下文簡稱預(yù)留土方方案。

3 有限元模擬

3.1 有限元模型介紹

采用大型巖土有限元分析軟件PLAXIS 3D建立換乘車站三維模型進(jìn)行計(jì)算分析。以6號線軸線方向?yàn)閄軸，垂直6號線方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸建立空間直角坐標(biāo)系。為消除模型邊界效應(yīng)，邊界尺寸取3倍～5倍基坑深度，因此X軸方向長度為531 m，Y軸方向?yàn)?84 m，Z軸方向?yàn)?1 m。模型計(jì)算采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，單元數(shù)166 872個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)288 412個(gè)。模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個(gè)方向均約束；模型4個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

計(jì)算中土體本構(gòu)采用HS-Small模型(小應(yīng)變硬化模型)。土體參數(shù)來自工程地質(zhì)勘查報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)取值，具體數(shù)值見表1。本節(jié)以優(yōu)化方案三(預(yù)留土方法)為例對數(shù)值模型進(jìn)行說明，按照前文所述施工工序模擬開挖過程，換乘車站的三維有限元模型如圖7所示。本方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為在換乘節(jié)點(diǎn)兩側(cè)預(yù)留土方，在數(shù)值模擬中，通過將兩側(cè)的預(yù)留土方設(shè)置成階梯型來簡化處理，得到該部分的有限元模型見圖8。

表1 模型土體參數(shù)Table 1 Soil parameters of model

3.2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)比較

根據(jù)數(shù)值計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)判斷(下文會展開說明)，該基坑采取方案三進(jìn)行施工。施工過程中對基坑周邊的土體位移進(jìn)行監(jiān)測。對監(jiān)測數(shù)據(jù)初步整理，選擇6號線一期基坑的2號、12號測點(diǎn)分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形，6號、8號測點(diǎn)分析地表土體沉降，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，所得結(jié)果如圖9、10所示。可以看到，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果比較接近。

現(xiàn)場實(shí)測得到2號、12號測點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移最大值分別為23.18 mm和22.32 mm，埋深分別為-16 m和-17 m，數(shù)值模擬得到的最大值分別為23.94 mm和24.18 mm，埋深均為-20.8 m，曲線吻合效果好。實(shí)測得到距離基坑邊緣10.8 m處6號、8號測點(diǎn)地表土體沉降均達(dá)到最大值，分別為13.2 mm和9.5 mm。數(shù)值模擬得到的沉降最大值分別為12.62 mm和13.79 mm，發(fā)生在距離基坑邊緣7.05 m和8.47 mm的位置。由于現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的布置較為分散，地表土體沉降曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，但是從總體上看，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果趨勢一致。由此可得，施工前進(jìn)行數(shù)值模擬分析十分必要，并且結(jié)果可靠，與該方案的施工結(jié)果相差不大。

3.3 不同施工方案的模型比較

本文比較的三種施工方案，即斜撐、逆作法、預(yù)留土方方案的差異主要體現(xiàn)在車站斜交位置，因此需要對該部位重點(diǎn)分析，三種方案的局部有限元模型如圖11所示。

4 優(yōu)化方案對比分析

4.1 結(jié)構(gòu)安全分析

6號線與8號線車站基坑地連墻的連接位置存在4處基坑陽角，地連墻形狀不規(guī)則，同時(shí)6號線與8號線車站基坑深度不同。在換乘節(jié)點(diǎn)處變形及受力較為復(fù)雜，具體結(jié)構(gòu)受力和變形不確定，因此在4處陽角位置選擇8個(gè)測點(diǎn)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形進(jìn)行分析，測點(diǎn)位置如圖12所示。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的一般特點(diǎn)，對1號、4號、5號、8號測點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿y方向的變形進(jìn)行分析，對2號、3號、6號、7號測點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿x方向的變形進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖13、14所示。

在1號與5號位置采用逆作法方案變形控制效果最佳，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移最大值小于另外兩種方案，斜撐方案與預(yù)留土方方案的變形最大值接近。在4號與8號位置預(yù)留土方方案使圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更大變形，最大值比斜撐方案大0.5～1 mm。在2號、3號與6號位置預(yù)留土方方案影響居中，斜撐方案變形最大，逆作法變形最小。在7號位置預(yù)留土方方案的變形小于斜撐方案和逆作法，結(jié)構(gòu)安全性最好。由此看來，預(yù)留土方方案多數(shù)情況可優(yōu)化斜撐方案的結(jié)構(gòu)受力，能夠有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

從施工過程來看，逆作法和預(yù)留土方方案的基坑支護(hù)形式相對簡單，類似的工程經(jīng)驗(yàn)豐富，結(jié)構(gòu)安全性能夠得到保障。在換乘節(jié)點(diǎn)處采用斜撐、對撐以及連系梁的支撐組合，支撐形式復(fù)雜。為進(jìn)一步觀察支撐的受力情況，對斜撐方案中的3道斜撐進(jìn)行內(nèi)力分析，支撐軸力情況如圖15所示。三道斜撐軸力值分布不均，軸力絕對值最大值和最小值分別為4 496 kN和634 kN。軸力分布不平衡，結(jié)構(gòu)安全性差。

4.2 施工技術(shù)分析

方案一中支撐形式種類多，支撐結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，同時(shí)異形地連墻和基坑陽角較多，增加了施工難度和滲漏風(fēng)險(xiǎn)，不再對其進(jìn)一步討論。

方案二在換乘節(jié)點(diǎn)處采取暗挖逆作法施工，在封閉狀態(tài)下蓋挖土方受層高、中間支柱和降水井的影響，閉鎖的空間使大型機(jī)械設(shè)備難于進(jìn)場，帶來了施工作業(yè)上的不便，目前尚缺小巧、靈活及高效的暗挖設(shè)備。同時(shí)，需要解決水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸問題，施工效率較低。暗挖逆作法的中柱是永久結(jié)構(gòu)，施工精度要求較高，而且對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和中間柱的沉降控制嚴(yán)格，施工難度較大。

方案三采取明挖法施工，施工工序簡單，施工管理方便，施工場地開闊，大型機(jī)械和運(yùn)輸工具使用方便，施工進(jìn)度較快。同時(shí)，施工降排水容易，結(jié)構(gòu)防水簡單，質(zhì)量可靠。

4.3 施工工期分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，方案二6號線一期的施工時(shí)間是2019-05-05～2020-01-10，為期250 d；6號線二期及8號線施工時(shí)間是2019-10-06～2020-08-18，為期317 d；中間交叉工期不做重復(fù)疊加計(jì)算，總工期合計(jì)為471 d。方案三6號線一期的施工時(shí)間是2019-12-28～2020-08-19，為期235 d；6號線二期及8號線北側(cè)、南側(cè)的施工時(shí)間是2020-01-10～2021-01-31，為期387 d；總工期合計(jì)400 d。

經(jīng)比較，方案二和方案三的工期均較初始方案減少，達(dá)到了工期優(yōu)化的目的，其中方案三工期更優(yōu)，比方案二減少60 d左右。

4.4 實(shí)際施工效果

如前文所述，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明2號、12號監(jiān)測點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移最大值分別為23.18 mm和22.32 mm，此外，實(shí)測得到6號線一期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移最大值為24.36 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形不超過基坑深度的0.14%。通過采取預(yù)留土方方案可有效控制圍護(hù)變形，且施工進(jìn)度較快，對周圍環(huán)境影響較小，可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。

5 結(jié)語

(1)對于十字斜交換乘車站，換乘節(jié)點(diǎn)處如果采用水平斜撐，支撐受力不均勻，結(jié)構(gòu)安全性差，且異形地連墻施工難度大，容易出現(xiàn)滲漏風(fēng)險(xiǎn)，因此十字斜交換乘車站中不宜在換乘節(jié)點(diǎn)處使用水平斜撐。

(2)換乘節(jié)點(diǎn)處如果采用暗挖逆作法，結(jié)構(gòu)受力簡單，工程經(jīng)驗(yàn)豐富，但相較于明挖法，施工難度較高，設(shè)備投入較大，工期也會大幅增加。

(3)將十字斜交換乘車站分為4個(gè)基坑施工，每個(gè)基坑的支護(hù)體系都較為簡單，施工難度較小，風(fēng)險(xiǎn)較低，并且經(jīng)過合理統(tǒng)籌工序，工期較其他方案可大幅縮短，因此，本文中的換乘車站采用該方案施工。

(4)選擇施工方案時(shí)，應(yīng)綜合分析施工方案的技術(shù)難度及設(shè)備要求，在保證施工安全的前提下，盡量縮短工期，節(jié)省工程造價(jià)。本文車站的方案優(yōu)化可為類似復(fù)雜十字斜交換乘車站的設(shè)計(jì)提供參考。