利用既有车站作为重力式挡墙的换乘车站深基坑支护设计方案

姚燕明，赵豫鄂

(1.宁波市轨道交通工程建设指挥部，浙江 宁波 315100;2.浙江华展工程研究设计院，浙江 宁波 315000)

利用既有车站作为重力式挡墙的换乘车站深基坑支护设计方案

姚燕明1，赵豫鄂2

(1.宁波市轨道交通工程建设指挥部，浙江 宁波 315100;2.浙江华展工程研究设计院，浙江 宁波 315000)

宁波轨道交通1号线T形换乘大卿桥车站同步施工了换乘节点，1号线已建车站为地下二层，后建4号线换乘车站为地下三层，后建车站深基坑施工需对既有的车站进行保护。采用三维有限元分析比选了不同基坑支护设计方案对既有车站变形和内力的影响，从而确定合理的支护方案，并将计算结果与监测数据进行了对比分析。结果表明:已建车站整体纵向刚度大，能够有效减少基坑开挖引起的变形，在基坑开挖过程中可以对既有车站结构不设置斜支撑。利用既有车站结构作为重力式挡墙有利于减少施工工序，缩短施工周期。

基坑 换乘车站 重力式挡墙

对于城市规划的轨道交通线网，由于线路条件不稳定、规划调整等，换乘车站常常无法同步实施，经常只能同期实施换乘节点。在后期新建换乘车站施工时，不可避免地需要对既有换乘车站进行保护。如上海地铁2号线东方路车站后建平行换乘车站施工对既有车站的保护［1-2］，天津滨海软土地区某换乘车站基坑开挖施工对既有运营线路的保护等［3］。

宁波轨道交通1号线在施工过程中，与4号线换乘位置由于规划条件尚不稳定，只同步实施了换乘节点。在1号通车运营以后，4号线后建车站基坑设计时，需要与已经实施的换乘节点对接，利用既有的车站作为围护结构的一端。宁波为典型的软土地区，根据1号线地下车站基坑的施工经验，基坑施工过程中的土体流变变形影响大，基坑开挖时间越长引起的围护结构变形越大，因此必须快速连续施工来控制基坑变形。

参照沉管隧道靠近河岸的格栅连续墙支护结构设计方案［4］，靠河岸一侧的围护结构为无支撑的重力式支挡结构。在设计基坑支护时，将既有车站结构作为基坑一侧的重力式挡墙，从而简化基坑开挖工序，缩短车站施工周期。但该方案能否保证车站结构在基坑开挖过程中的安全，有待研究。因此在确定方案前，采用三维有限元计算比选不同基坑支护设计方案对既有车站变形和内力的影响，通过分析确定合理的支护方案。

1 工程概况

已建1号线车站为地下二层，双柱三跨结构，底板埋深约16.0 m，施工时已将地下三层的换乘节点施工完毕，车站已经通车运营。新建换乘车站为地下三层，两线呈T形换乘，换乘车站总平面如图1所示。

图1 换乘车站总平面

新建车站基坑采用明挖法施工，标准段深约23.2 m，宽22.5 m，基坑长度约138.0 m。主体围护结构采用1.0 m厚地下连续墙，插入比约1∶1。竖向设7道支撑，其中第1道、第5道为混凝土支撑，其余5道为φ609壁厚16 mm钢支撑，支撑中部设置了格构柱。

由于第5道混凝土支撑下土层较差，考虑到混凝土支撑施作时间较长，对该道支撑下土体采取抽条+裙边的搅拌桩加固方式。车站底板基本位于⑤1黏土层，土性较好，根据类似工程设计经验，无需加固。标准段基坑剖面如图2所示。

图2 标准段基坑剖面(标高单位:m;尺寸单位:mm)

换乘车站场地土体分层情况以及土体参数如表1所示。

2 有限元模拟

2.1 模型的建立

在分析后建换乘车站基坑开挖对既有换乘车站的影响时，采用考虑土体—结构共同作用的整体三维模型计算［5-7］。整体模型如图3所示，整个模型模拟的范围为350 m×290 m×100 m。模型的四周边界施加水平方向位移约束，模型底部施加竖直方向位移约束。数值模拟中新建换乘车站基坑与既有换乘车站结构相对位置如图4所示。

根据宁波地区类似工程的监测数据反演分析，采取修正摩尔—库伦模型。修正摩尔—库伦模型是一种改进了的模拟岩土行为的模型，适用于黏土、砂土等各种土性土体。对于以软弱黏土层为主的宁波地区，采用修正摩尔—库伦模型比较适用。

表1 主要土层参数

图3 整体模型

图4 换乘车站结构位置关系

围护结构、圈梁、支撑以及既有换乘车站的结构均采用线弹性材料来模拟，其中圈梁、支撑和既有换乘车站的柱采用梁单元模拟，围护结构和既有换乘车站的楼板结构采用板单元模拟。

2.2 方案对比

在研究的支护设计方案中，重点对基坑开挖过程中既有车站结构上是否设置斜支撑进行了讨论，支护方案如图5所示。两者优缺点如下:

图5 两种方案的支护平面

方案1:对既有车站结构设置斜支撑。该方案有利于开挖过程中控制既有车站的变形，但是由于该斜支撑一端设置在换乘节点位置的连续墙上，需要在连续墙上植筋预埋钢板或者设置钢围檩，增加施工工序。同时在基坑开挖到底后，新建换乘车站结构不能直接和换乘节点连接，必须随新建车站结构逐步回筑拆除斜支撑以后，才能将换乘节点位置连续墙凿除，再浇筑该后浇带实现结构联通，增加了结构贯通时间和基坑的暴露时间。

方案2:将既有车站作为基坑一端的重力式挡墙。该方案可以在基坑开挖后，随着新建车站结构的浇筑，直接凿除换乘节点位置的连续墙，实现结构直接联通。该方案不仅可以减少施工工序和支撑设置的难度，而且可以提前约2.5个月实现结构贯通。但是否可以在基坑开挖过程中将既有车站作为基坑的重力式挡墙，需要计算分析确定。

3 计算结果分析

图6为基坑开挖结束后，在换乘节点位置既有车站的水平位移随深度变化曲线。

从图6可以看出，无论是否在既有换乘车站上设置支撑，基坑开挖到底时连续墙墙身水平位移的趋势大致相同，墙身最大水平位移位于坑底附近。方案1既有车站结构水平位移最大值为6.7 mm;方案2既有车站结构水平位移最大值为7.4 mm。

图6 换乘节点位置既有车站水平位移随深度变化曲线

图7为基坑开挖到底时，在换乘节点中部连续墙墙身弯矩随深度变化曲线。可见，两方案连续墙墙身弯矩变化趋势大致相同，弯矩变化差别较小，与方案1相比，方案2最大弯矩增大了约12%。

图7 连续墙墙身弯矩随深度变化曲线

综上，方案2将既有车站作为基坑重力式挡墙，开挖过程中既有车站水平位移增大约10%，车站结构水平位移最大值7.4 mm，符合设计对地铁车站的保护要求;同时两方案连续墙内力差别较小，均符合设计要求。因此最终采用了方案2，利用既有车站作为基坑的重力式挡墙，取消该侧基坑端部的斜支撑。

同时为了进行开挖阶段的风险控制，明确了在基坑开挖过程中，当车站结构变形超过10 mm的警戒值时，要停止开挖，增设斜支撑作为应急处置方案。

4 监测数据分析

通过计算分析，确定采用将既有1号线车站作为重力式挡墙的基坑设计方案，在4号线基坑开挖过程

中，重点对已运营的车站进行了变形监测。1号线已运营车站共设置了21个监测断面，根据监测数据，在新换乘车站基坑开挖施工过程中，既有车站变形较为稳定，整个监测周期内水平位移不到5 mm，最大变形发生在换乘节点中部。

而在新建车站长条形基坑标准段，开挖至坑底时，监测的连续墙最大水平位移达到43.2 mm。根据浙江省《建筑基坑工程技术规程》［8］，一级基坑的变形控制值为基坑深度的0.2%～0.5%，可见该变形值在允许范围内。因为在换乘节点位置，既有车站结构纵向刚度较大，所以在基坑开挖过程中该侧换乘节点位置车站结构变形远小于标准段基坑连续墙水平位移。

5 结论

通过对宁波轨道交通4号线换乘车站基坑施工对既有1号线车站的影响分析，确定了基坑的合理支护设计方案，经方案计算结果与基坑开挖结束后监测数据的对比，验证了该方案的合理性。

由于既有车站结构为箱形混凝土整体浇筑，纵向刚度大，在新建换乘车站基坑端部开挖过程中可以不对既有车站设置斜支撑。

对于软土地区类似预留换乘节点的车站，后期基坑开挖时，可以先通过计算分析，在满足变形和内力要求的前提下，将既有车站结构作为基坑重力式挡墙。这样不仅可以减少支撑设置的难度，有效地简化施工工序，而且可以缩短施工周期，提前实现新建车站与既有换乘节点的连接。

［1］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，2005，1(4):642-645.

［2］姚燕明，孙巍，陈绪禄，等.老车站纵向约束长度对换乘站基坑变形影响的敏感性分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(4):678-681.

［3］张健，张宇亭.天津滨海软土地区地铁车站开挖基坑稳定性分析［J］.铁道工程学报，2014，31(4):103-106.

［4］张玉成，杨光华，胡海英，等.格栅式连续墙在沉管隧道护岸工程支护中的应用［J］.岩土工程学报，2012，34(增 1): 440-446.

［5］陆新征，宋二祥，吉林，等.某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三维有限元分析［J］.岩土工程学报，2003，25 (4):488-491.

［6］孙洋波，袁聚云.长峰商城超大型基坑临近地铁侧的施工保护措施［J］.岩土工程学报，2006，28(增):1712-1715.

［7］高盟，高广运，冯世进，等.基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究［J］.岩土工程学报，2008，30(6):818-823.

［8］浙江省住房和城乡建设厅.DB33/T 1096—2014 建筑基坑工程技术规程［S］.杭州:浙江工商大学出版社，2014.

Design scheme of deep foundation pit support of transfer metro station taking advantage of existing station as gravity retaining wall

YAO Yanming1，ZHAO Yu'e2
(1.Ningbo Urban Rail Transit Management Department，Ningbo Zhejiang 315100，China; 2.Zhejiang Huazhan Institute of Engineering Research and Design，Ningbo Zhejiang 315000，China)

T he transfer node of the“T”shaped Daqing Bridge transfer metro station in Ningbo rail transit line 1 was constructed synchronously，the underground two storey building of the line 1 station was built，the later transfer metro station of line 4 is a underground three storey building，and the deep foundation pit construction of later metro station needs the protection of existing stations.T he influence of the different foundation pit support design scheme on the deformation and internal force of existing station was analyzed by using three-dimension finite element，the reasonable support plan was determined，and the calculation results and the monitoring data were compared.T he results showed the deformation of the station caused by foundation pit excavation could be reduced efficiently due to the big whole longitudinal stiffness of the existing station，the inclined brace of the foundation pit don't need to be set for the existing station structure during foundation pit excavation，which means using existing railway station structure as a gravity retaining wall could reduce the construction process and shorten the construction cycle effectively.

Foundation pit;T ransfer metro station;Gravity retaining wall

TU94+1;U231+.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.25

(责任审编 葛全红)

2015-02-10;

:2015-07-10

宁波市社会发展领域科技攻关项目(2014C50036)

姚燕明(1977— )，男，江西南昌人，教授级高级工程师，博士。

1003-1995(2015)09-0086-04