摘""要：盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵車站施工過(guò)程對(duì)地層的擾動(dòng)會(huì)對(duì)既有車站產(chǎn)生影響。為最大限度地降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證既有站的安全及正常運(yùn)營(yíng)，需要開(kāi)展相關(guān)研究。利用MIDASGTS-NX有限元數(shù)值模擬軟件，以石家莊市城市軌道交通4號(hào)線一期工程四工區(qū)項(xiàng)目為研究背景，按照接收端地層加固、左線盾構(gòu)施工、右線盾構(gòu)施工的順序，建立三維有限元模型。預(yù)測(cè)施工過(guò)程既有站主體結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和內(nèi)力變化，分析計(jì)算盾構(gòu)隧道近距離下穿施工過(guò)程對(duì)既有地鐵車站的影響，將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可行性。研究成果為隧道近距離下穿既有站施工引起的沉降變形提供理論依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)施工、保證施工安全具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：地鐵車站""盾構(gòu)""施工方案""數(shù)值模擬""沉降規(guī)律""受力變化

中圖分類號(hào)：U455.43

Research"of"the"Impact"of"Shield"Tunneling"Construction"on"the

Structure"of"Existing"Railway"Stations

WANG"Huan

CCCC"Third"Highway"Engineering"Co.，"Ltd.，"Shijiazhuang，"Hebei"Province，"050000"China

Abstract："The"construction"process"of"shield"tunneling"through"existing"subway"stations"will"cause"disturbance"to"the"geological"strata"and"have"an"impact"on"the"existing"stations."In"order"to"minimize"the"construction"risk"and"ensure"the"safety"and"normal"operation"of"the"existing"station，"relevant"studies"need"to"be"carried"out."Using"the"MIDASGTS-NX"finite"element"numerical"simulation"software，"the"three-dimensional"finite"element"model"was"established"in"the"order"of"stratum"reinforcement"atnbsp;the"receiving"end，"the"left"line"shield"construction"and"the"right"line"shield"construction"in"the"fourth"work"area"project"of"the"first"phase"of"Shijiazhuang"Urban"Rail"Transit"Line"4"project"as"the"research"background."It"predicts"the"deformation"law"and"internal"force"changes"of"the"main"structure"of"the"existing"station"during"the"construction"process，"analyzes"and"calculates"the"impact"of"the"shield"tunnel"near"the"construction"process"on"the"existing"subway"station，"and"compares"the"prediction"results"with"the"actual"construction"monitoring"data"to"verify"the"accuracy"and"feasibility"of"the"calculation"results"of"the"model."The"research"results"provide"a"theoretical"basis"for"the"settlement"deformation"caused"by"the"construction"of"the"tunnel"passing"through"the"existing"station"in"close"proximity，"and"have"reference"significance"for"guiding"the"construction"and"ensuring"the"safety"of"the"construction.

Key"Words："Railway"station;"Shield"tunneling;"Construction"plan;"Numerical"simulation;"Settlement"law;"Force"variation

近年來(lái)，地下工程建設(shè)對(duì)于城市的建設(shè)和發(fā)展日益重要，在我國(guó)城市地鐵工程的大規(guī)模建設(shè)，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)不斷完善的大背景下，地鐵自身線路之間的各種交叉、換乘問(wèn)題將不可避免，各節(jié)點(diǎn)車站和區(qū)間隧道各自之間和相互之間的穿越將是一個(gè)普遍現(xiàn)象，對(duì)地鐵換乘車站的數(shù)量的需求越來(lái)越多，一大批既有車站增建為換乘車站。新建車站下穿既有車站時(shí)，新老車站間中夾土受施工擾動(dòng)大，穩(wěn)定性差，進(jìn)而造成既有車站沉降較大，進(jìn)一步導(dǎo)致既有車站因新建車站施工產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形、承載力下降和開(kāi)裂、滲漏等問(wèn)題[1]。尤其當(dāng)新建地鐵車站密貼既有車站施工時(shí)，因工程具有零距離、變形快、難加固等特點(diǎn)，既有車站的運(yùn)營(yíng)會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)將威脅其安全。

因換乘位置、距離、地下空間條件等要求，新舊車站密貼穿越不可避免。因此，從新建地鐵車站的安全施工和既有地鐵車站的受力安全這兩個(gè)方面考慮，對(duì)密貼穿越工程的研究就顯得十分迫切重要[2]。

目前，對(duì)于下穿既有建筑物的研究眾多，也取得了包括下穿施工方法、沉降控制措施、既有結(jié)構(gòu)影響等一系列成果。但多數(shù)研究都聚焦于沉降控制，對(duì)于控制沉降的主動(dòng)頂升力與既有結(jié)構(gòu)的沉降綜合考慮的研究尚有欠缺，本論文將綜合前人進(jìn)行的研究，對(duì)下穿施工中的既有車站進(jìn)行沉降和頂升力的雙重控制[3]，以期得到主動(dòng)頂升力與既有結(jié)構(gòu)的沉降的具體關(guān)系。

1 工程概況

1.1 課題研究的目的和意義

許多城市在早期規(guī)劃中受限于當(dāng)時(shí)的時(shí)代局限性，對(duì)城市地下空間的布局并沒(méi)有考慮到未來(lái)軌道交通的發(fā)展速度。隨著地鐵線路的增加，會(huì)不可避免地出現(xiàn)兩條線路相交的情況，其中有暗挖下穿和豎向增層等各種情況，按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估來(lái)看，以新建地鐵車站下穿既有地鐵車站最為危險(xiǎn)，其既有地鐵車站的沉降控制指標(biāo)也最為嚴(yán)格[4]。新建車站的施工會(huì)使周邊地層產(chǎn)生應(yīng)力重分布，進(jìn)而破壞既有車站的安全、穩(wěn)定，如果在施工過(guò)程中沒(méi)有采取合適的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，將會(huì)導(dǎo)致既有車站主體結(jié)構(gòu)以及軌道變形超過(guò)允許值，從而影響列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懠扔芯€路的安全運(yùn)行，導(dǎo)致事故的發(fā)生[5]。

課題采用理論分析，相似模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，分析新建車站在施工過(guò)程中對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，確定工程的結(jié)構(gòu)變形分步控制指標(biāo)[6]；對(duì)主要影響因素導(dǎo)致的既有車站結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行參數(shù)分析，計(jì)算多因素耦合作用下的既有車站結(jié)構(gòu)可靠度[7]；構(gòu)造沉降與主動(dòng)頂升力的關(guān)系，以此為依據(jù)優(yōu)化主動(dòng)托換方案，其科研成果將為類似工程項(xiàng)目提供指導(dǎo)與借鑒，具有較高的工程價(jià)值及科學(xué)意義。

1.2 項(xiàng)目概況

南王站為全線第11座車站，位于塔北路與建華南大街交叉路口北側(cè)，沿建華南大街南北向設(shè)置，為3號(hào)線換乘站，既有3號(hào)線南王站為地下兩層車站，位于本站南側(cè)，換乘節(jié)點(diǎn)負(fù)3層未施作，僅預(yù)留負(fù)3層施作條件和4號(hào)線接駁條件，如圖1所示。本站主體結(jié)構(gòu)外包長(zhǎng)度180.5"m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.7"m，站合寬14"m。車站右線起點(diǎn)里程為K14+512.198，終點(diǎn)里程為K14+692.698，有效站臺(tái)中心里程為K14+610.698。中心里程軌面埋深約22.797"m。建華南大街規(guī)劃道路紅線寬60"m，塔北路規(guī)劃道路紅線寬50"m，均為城市主千道，現(xiàn)狀交通流量較大。車站南側(cè)有規(guī)劃綠線，道路兩側(cè)有現(xiàn)狀綠化帶，周邊的建筑高道路紅線較遠(yuǎn)，對(duì)車站主體施工影響較小。車站西北象限為天海餐天下小區(qū)，其余象限為南王村拆遷，尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)劃。車站共設(shè)2個(gè)出入口，2個(gè)風(fēng)亭組，2個(gè)疏散出入口，1條聯(lián)絡(luò)線。

1.3 車站建筑方案、結(jié)構(gòu)形式及施工工法

南王站為地下三層島式站臺(tái)車站，車站主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)180.5"m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.7"m，站臺(tái)寬14"m。地面標(biāo)高約65.4～65.6"m，有效站臺(tái)中心里程處頂板覆土厚度約為3.6"m。車站主體結(jié)構(gòu)采用銅筋混凝士箱型結(jié)構(gòu)，設(shè)全外包防水層，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式。標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約24.5"m，小里程端基坑開(kāi)挖深度約25.9"m，大里程端基坑開(kāi)挖深度約26.1"m，兩層附屬基坑開(kāi)挖深度為17.3"m，開(kāi)挖范圍的土層主要為：黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、黃土狀粉土、粉細(xì)砂；基底處的土層主要為黏質(zhì)粉土。

本站主體結(jié)構(gòu)采用明挖順筑法施工（小里程端換乘節(jié)點(diǎn)下穿既有了號(hào)線車站的三層部分采用蓋挖法施工）；附屬風(fēng)道和出入口采用明挖順筑法施工：聯(lián)絡(luò)線采用暗挖法施工。

2 4號(hào)線施工對(duì)3號(hào)線影響

2.1 計(jì)算模型

本次計(jì)算采用Midas-GTS軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，按照實(shí)際工況及地層參數(shù)進(jìn)行建模，模型尺寸410"m×280"m×70"m（長(zhǎng)×寬×高），利用六面體單元進(jìn)行地層、既有結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等新建結(jié)構(gòu)等的模擬，共119"850個(gè)單元，85"044個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。整個(gè)計(jì)算模型中，土體模型的頂面設(shè)為自由邊界，底面和側(cè)面均采用法向約束。

2.2 計(jì)算結(jié)果（1）主體明挖施工對(duì)既有線的影響，如圖3和圖4所示，由圖3可以看出，4號(hào)線施工期間，施工完4號(hào)線主體結(jié)構(gòu)后3號(hào)線車站底板隆起3.4"mm，由圖4可以看出其水平位移為1.4"mm。（2）換乘節(jié)點(diǎn)蓋挖施工對(duì)既有線影響，如圖5和圖6所示，施工完換乘節(jié)點(diǎn)后3號(hào)線車站底板沉降為3.4"mm，水平位移為2.3"mm。

（3）4號(hào)線附屬施工對(duì)既有線的影響，如圖7和圖8所示。施工完4號(hào)線附屬后3號(hào)線車站底板沉降3.2"mm，水平位移為2.2"mm。

2.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程應(yīng)急預(yù)案

2.3.1 預(yù)防措施

（1）施工前，對(duì)影響范圍內(nèi)所有建構(gòu)筑物，地下管線等進(jìn)行普查，準(zhǔn)確掌握與車站的平、剖面關(guān)系。

（2）基坑開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)架設(shè)支撐，嚴(yán)禁超挖：對(duì)既有線墻體進(jìn)行改造時(shí)，采用靜力破除，嚴(yán)格控制分塊大小。

（3）施工期間，對(duì)既有3號(hào)線及周圍地面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)構(gòu)加以整理和分析，以掌握和修正施工參數(shù)，保證車站結(jié)構(gòu)和行車的安全。

2.3.2 應(yīng)急預(yù)案

（1）本車站基坑與3號(hào)線車站換乘，當(dāng)基坑圍護(hù)樁向基坑側(cè)發(fā)生較大移位變形或破壞時(shí)，首先應(yīng)停止開(kāi)挖，盡快回填超挖土方，或在樁前堆砂石袋反壓、架設(shè)斜支撐，保護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（2）如發(fā)現(xiàn)3號(hào)線車站變形過(guò)大，并且有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)采取必要的技術(shù)處理措施。

3 結(jié)論

通過(guò)上述計(jì)算可知：4號(hào)線施工期間，施工完4號(hào)線主體結(jié)構(gòu)后3號(hào)線車站底板隆起3.4"mm，水平位移為1.4"mm；施工完換乘節(jié)點(diǎn)后，3號(hào)線車站底板沉降3.4"mm，水平位移為2.3"mm；施工完4號(hào)線附屬后，3號(hào)線車站底板沉降3.2"mm，水平位移為2.2"mm，3號(hào)線A號(hào)出入口隆起2.6"mm，水平位移為1.0"mm；3號(hào)線車站最大變形發(fā)生在開(kāi)挖換乘節(jié)點(diǎn)階段，其中最大豎向位移為3.7"mm，最大水平位移為2.3"mm，3號(hào)線附屬出入口最大豎向位移為3.1"mm，水平位移為1.0"mm，能夠保證線路運(yùn)營(yíng)安全。從數(shù)值模擬可以看出，4號(hào)線主體及附屬基坑施工開(kāi)挖引起的3號(hào)線車站及其附屬結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小，3號(hào)線車站及附屬水平和豎向位移均較小，能夠保證3號(hào)線安全。

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