地铁枢纽后建车站施工对既有地铁的影响分析

蒋清国

随着城市轨道交通枢纽的快速建设,新建地铁车站常临近、紧邻或紧贴既有运营地铁车站。新线车站施工可能引起既有地铁车站产生位移和变形,对既有车站的结构安全及正常运营造成影响。

近年来,一些学者对临近、紧邻或紧贴既有地铁车站的施工影响问题进行了研究[1-4],取得了一些有益的成果。但到目前为止,还没有一套成熟的理论对该类问题进行准确的预测。本文拟结合北京某地铁工程实例,采用三维数值分析程序对典型的施工步骤进行全面的仿真模拟,通过计算、分析、比较,研究地铁换乘枢纽后建车站施工对既有运营地铁车站结构及轨道变形的影响,为工程设计与施工提供参考。

1 工程概况

北京地铁宋家庄站为既有5号线、10号线二期、亦庄线三线换乘车站,该站是北京现阶段最大的地铁枢纽站。5号线车站现已投入运营,与新建10号线二期车站平行换乘,与新建亦庄线车站T形换乘,三站主体均为地下2层现浇钢筋混凝土箱形框架结构,车站基坑深度约为15.7m,三站围护结构除10号线二期车站局部采用钻孔灌注桩+3道钢管内支撑体系外,其他均采用钻孔灌注桩+3道预应力锚索体系。三站建成后将形成相互连通的大型换乘体系。

2 数值计算及分析

2.1 数值计算模型

结合本工程的实际情况,计算模型上边界取到地表,竖向共取40m,宽度取166m,纵向考虑车站长度和边界效应取332m,建立的有限元计算模型如图1所示。

地表取为自由边界,其他5个面均采用滚轴约束。模型中采用实体单元模拟地层,板单元模拟围护桩、车站底板、中板、顶板与车站边墙,植入式桁架单元模拟预应力锚索,梁单元模拟车站柱子与横撑。计算中采用不同的本构模拟不同的材料,对于围护桩、车站底板、中板、顶板与车站边墙、预应力锚索、车站柱子与横撑等应用线弹性本构,而各层土体采用莫尔—库仑(M-C)本构。地面超载按20kPa考虑。

数值分析中按施工实际逐步模拟基坑开挖、安装与拆除锚索(架支撑)、主体结构施作、覆土回填以及临时隔墙的破除等施工过程,基坑开挖及车站主体施工考虑分段实施、流水作业,模型仅分析10号线二期先于亦庄线实施工况。为了对后建车站施工过程中既有地铁结构的变形有较全面的了解,计算中沿既有5号线车站纵向选取15个横断面,每个横断面上选取6个计算点,见图2,同时,为研究地铁轨道的变形,沿左、右线轨道方向分别取51个计算点。

2.2 计算结果及分析

图3,图4分别给出了既有5号线结构受10号线二期及亦庄线车站施工影响后的竖向及水平位移的变形云图。图3表明,受基坑开挖、土体回弹的影响,临近新线基坑开挖部位的结构底、中、顶板竖向变形较大,而远离基坑开挖的结构竖向变形较小;图4则显示,受基坑开挖、单侧卸载的影响,既有5号线车站结构在只有单侧基坑开挖的区段水平位移较大,而在两侧都有基坑开挖卸载的区段既有结构的最终水平位移很小。

通过将模型中各断面计算点在不同施工步骤下的竖向位移及水平位移整理成曲线进行分析、比较,可以得到两种最具代表性的工况,即工况一:只有10号线二期侧进行基坑开挖及结构施作;工况二:既有5号线两侧均进行基坑开挖及结构施作。

工况一中,紧邻10号线二期基坑开挖侧的4,5,6点结构竖向变形较大,最大达到了约7 mm,而远离基坑开挖侧的1,2,3点对应的结构底板竖向变形相对较小,约0.5 mm。施工过程中,由于基坑开挖取土卸载,坑底土体回弹,引起邻近既有5号线结构上抬,竖向位移逐渐增加,但随着结构底、中、顶板的施作以及覆土的回填,结构及覆土自重使坑底土体重新压缩,既有5号线结构的竖向位移又逐渐减小,后期其他区段基坑及结构的施工对结构变形影响很小,直至预留临时隔墙(参与受力)的破除,由于车站结构的平衡被打破,顶板在覆土作用下有向下的变形,而底板在地基反力作用下隆起量有所增加。从既有车站结构的水平变形来看,各点的整体变化趋势类似,且各点的水平位移增加主要集中在新线基坑开挖过程中,随着新线结构的施作及覆土的回填,由于新老结构形成同一整体,共同承受两侧的土压力,既有结构的水平位移逐渐趋于稳定,整体看来,1,2,3,4点的水平位移均较小,而5,6点的水平位移相对较大,其中5点的水平位移最大,为5.8 mm,这说明土压力引起的结构侧墙弯矩最大出现在中板附近,这与结构内力计算结果是吻合的。

工况二中,既有结构的竖向及水平变形规律与工况一基本相似,区别在于亦庄线车站基坑开挖及结构施作对1,2,3点的竖向变形及水平位移影响较大,即在亦庄线车站基坑开挖步序中,1点竖向位移迅速增大,最大达到6.3 mm,由于2,3点距亦庄线基坑较近,竖向位移也较工况一要大,约为1.3 mm,相应4,5,6点的最终竖向位移为7.1 mm;既有结构水平位移量在亦庄线基坑开挖步序中有迅速减小的趋势,且各点的最终水平位移量均相对较小,最大为1.5 mm。

沿左、右线轨道方向所取计算点的竖向、水平位移曲线表明,右线轨道(临10号线侧)的最大竖向变形约为1.13 mm,轨道的最大隆起位置处在车站的端头,左、右轨的最大差异沉降约为0.1 mm;左线轨道(临亦庄线侧)的最大竖向变形约为1.5 mm,轨道的最大隆起位置处在5号线两侧均有基坑开挖施工的区域,左、右轨的最大差异沉降约为0.3 mm;左、右线轨道的最终水平位移与车站结构的整体水平位移基本相似,轨道最大水平位移约为3.2 mm,且左、右轨间的最终水平位移差很小。

3 结语

基于Midas-GTS软件,通过建立模拟新线地铁施工过程的三维模型,分析了地铁枢纽后建车站施工对既有运营地铁车站产生影响的工程实例,得到了如下几条结论:1)地铁枢纽后建车站施工对既有运营地铁车站结构及轨道会造成一定的影响,影响的大小与基坑开挖面距既有车站结构的距离及对称性有关。2)新线基坑开挖及主体结构施作采用分段推进的施工工序对控制既有结构的变形是有利的。3)及时回筑新线主体结构可减小既有结构的水平位移及竖向变形。4)既有地铁车站预留与新线的临时隔墙(参与受力)的拆除对既有结构的变形有影响,施工中应得到重视。5)既有地铁车站结构在新线车站施工过程中的水平位移以中板区域最大,底板处最小。6)双侧对称基坑开挖对控制既有结构的变形有利。7)新线地铁施工对既有地铁车站轨道的影响与轨道距基坑开挖面的距离成反比,且轨道水平位移的特征与主体结构的变形基本一致。

[1]姚燕明,周顺华,孙 巍,等.坑底加固对平行换乘车站基坑变形影响的计算分析[J].地下空间,2004,24(1):7-10.

[2]曾 远,李志高,王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J].地下空间与工程学报,2005,8(4):642-645.

[3]姚燕明,孙 巍.深基坑开挖对共用连续墙的既有车站结构内力影响的空间分析[J].岩土工程学报,2006,28(sup):1411-1414.

[4]王 印,高广运,冯世进,等.深基坑开挖对相邻地铁车站影响的位移分析,岩土力学与工程新进展[M].上海:同济大学出版社,2007:155-159.