港口区地下通道衔接既有地铁车站施工影响及控制措施研究

吕海英 朱雯蕾

摘 要：广州南沙客运港地下通道与既有地铁 4 号线南沙客运港站Ⅶ号出入口衔接工程，位于存在较厚海陆交互相沉积淤泥质土港口区，地质情况较复杂。文章采用数值模拟方法，分析衔接工程施工过程中引起的周边地层变形、既有地铁结构变形情况。根据模拟结果，结合相关工程经验，提出施工过程中对地层及既有地铁结构变形控制措施及建议，避免因变形过大而导致地铁结构破坏发生。

关键词：地铁;港口区;地下通道;施工影响;控制措施

中图分类号：TU411

0 引言

许多城市将地铁的规划与建设置于区域其他建（构）筑物建设之先，为此需为先建地铁站预留与后期建（构）筑物的连接条件，从而实现交通一体化。在后期建（构）筑物连接过程中，既有地层及地铁的安全性问题则是工程需要考虑的重点问题。广州新建南沙客运港地下通道工程与既有地铁4号线南沙客运港站的衔接工程处于港口区，采用明挖法施工，基底位于较厚的海陆交互相沉积淤泥质土中，基坑施工对地层及既有车站影响较大。本文通过模拟分析衔接工程施工对地层沉降、既有车站变形的影响分析，结合相关工程经验，提出相应工程安全保护措施。

1 工程概况

拟建广州市南沙客运港地下通道工程位于广州市南沙区沙兴路地下，南起广州市地铁4号线南沙客运港站 Ⅶ 号出入口通道，北至邮轮母港。地下通道全长540.9m，为闭口框架结构，采用明挖法施工，基坑深度约为10 m。地铁4号线南沙客运港站主体结构为三层多跨钢筋混凝土结构，地铁建设时在 Ⅶ 号出入口通道处预留了环梁衔接条件，围护结构型式采用“地下连续墙+内支撑”。地下通道与既有地铁衔接段基坑采用“灌注桩+内支撑”支护体系，基坑外侧采用单排三轴搅拌桩帷幕止水，基坑底部采用搅拌桩进行加固。

地下通道与既有地铁衔接工程施工影响区域主要为周边土体、车站主体、Ⅶ 号出入口、B2号风亭、Ⅵ 号出入口，其中，地下通道与以上结构的距离分别为19.9m、0 m、4.9 m、45.5 m。地下通道与以上结构相互位置关系如图1所示，地下通道基坑断面如图2所示。

衔接工程处地层由上至下依次为素填土、海陆交互相沉积淤泥质土、海陆交互相沉积中粗砂、海陆交互相沉积砂质黏土、全～强风化花岗岩，地下水位埋深为1.2～2.4 m。

2 数值模拟及结果分析

2.1 基本假设

鉴于岩土材料物理力学特性的复杂性在数值计算过程中难以完全模拟，本次模型结合所研究的具体问题进行适当简化，并采用以下假设。

（1）仅考虑正常使用工况，由于施工工期相对较短，不考虑人防、地震等偶然荷载。

（2）初始应力场假定为自重应力场，不考虑降水影响。

（3）围岩材料为均质、各向同性的连续介质，混凝土结构为弹性材料，土体为弹塑性材料并采用摩尔-库伦模型。

（4）施工处于正常良好的控制条件下。

（5）基坑周边地面超载考虑为20 kN/m2。

2.2 计算模型

本文采用专业的岩土与隧道结构有限元分析软件Midas GTS建立三维模型。根据地下通道基坑和地铁結构的设计资料及研究目标，按照实际尺寸建立计算模型（图3、图4），模拟地下通道基坑开挖过程对周围地层及地铁车站结构的影响，模型中的结构、地层及施工场地地基等参数按照相关规范及勘察报告资料选取。

2.3 计算工况

根据施工步序，选取施工模拟的典型工况为：①工况1，初始状态;②工况2，施做地下通道基坑围护桩结构;③工况3，开挖基坑至第1道支撑下0.5 m;④工况4，施做第1道水平撑;⑤工况5，开挖基坑至第2道支撑下0.5 m;⑥工况6，施作第2道水平撑;⑦工况7，开挖至基坑底部;⑧工况8，施做通道底板及部分侧墙;⑨工况9，拆除第2道水平撑;⑩工况10，施作剩余侧墙及通道顶板; 工况11，拆除预留口侧墙; 工况12，拆除第1道水平撑及回填覆土。

2.4 变形计算分析

2.4.1 地层变形分析

施工过程中土体开挖后地层应力释放会造成土体卸载作用，通过对基坑开挖支护的施工过程模拟，周边土体三维的变形结果如表1及图5～图7所示。从表1及图5～图7计算结果可以得出以下结论。

（1）基坑开挖过程中，竖向（Z）变形逐渐在增大，基坑基底发生较大回弹变形，基底回弹变形最大为15.59mm，出现在工况7中，基坑临近地铁结构处基底回弹最大值为9.07mm。

（2）基坑开挖过程中，沿车站纵向的基坑横向（X）变形逐渐增大，最大变形发生在工况9，变形值约为7.78 mm，最大变形部位在钢围檩附近，方向为偏向基坑侧。

（3）基坑开挖过程中，沿车站横向基坑横向（Y）变形逐渐增大，最大变形发生在工况12，变形值约为2.92mm，方向为偏向基坑侧。

2.4.2 车站主体结构变形分析

基坑施工会造成车站主体结构发生变形，施工模拟过程中，车站主体三维的变形结果如表2及图8～图10所示。从表2及图8～图10计算结果可以得出以下结论。

（1）新建基坑的施工对既有车站主体产生的变形影响较小，最大变形位置主要出现在车站主体结构与基坑临近区域车站侧墙部位。

（2）最大沉降（Z）变形发生在工况12，最大沉降为0.08 mm，同一工况下，轨道区发生最大沉降变形，变形值为0.07 mm。

（3）沿车站主体纵向的结构最大横向（X）变形发生在工况7，最大横向变形为0.07 mm，变形方向为偏向基坑侧。

（4）随着基坑开挖，沿车站主体横向的结构横向（Y）变形逐步加大，最大变形发生在工况11，最大结构横向变形为0.29 mm，变形部位为车站与基坑临近区域车站顶板，变形方向为偏向基坑侧。

2.4.3 车站附属结构变形分析

基坑施工会造成车站附属结构发生变形，从施工模拟得出的车站附属结构三维的变形结果可以看出，新建基坑施工主要对 Ⅶ 号出入口影响较大，对于B2风亭、Ⅵ 号出入口影响很小。Ⅶ 号出入口结构三维的变形计算结果如表3及图11～图13所示。可以得出以下结论。

（1）随着基坑开挖，车站附属结构竖向（Z）变形逐渐增大，Ⅶ 号出入口最大竖向变形发生在工况7，变形值为7.90 mm，变形部位为出入口通道侧墙，变形方向为上浮。

（2）随着基坑施工，附属结构沿X轴方向的横向变形逐渐增大，Ⅶ 号出入口最大变形发生在工况9，变形值为6.93 mm，变形部位为出入口临近地面区域，变形方向为偏向基坑侧。

（3）随着基坑施工，附属结构沿Y轴方向的横向变形逐渐增大，Ⅶ 号出入口最大变形发生在工况11，变形值为1.83 mm，变形部位为出入口通道侧墙，变形方向为偏向基坑侧。

2.5 变形总结

根据上述结构变形结果分析，基坑施工诱发地层及地铁4号线南沙客运港站各部位变形汇总于表4，由表4可见，在地下通道基坑施工过程中，周边土体、地铁车站主体和附属结构的最大变形量满足DBJ/T 15-120-2017《城市轨道交通既有结构安全保护技术规范》相关要求，即竖向及横向位移均小于15 mm容许值。

3 施工控制措施建议

考虑地下通道施工对于周边的沉降、变形影响，为将施工影响控制在安全范围内，保证既有地铁正常运行，提出如下控制措施建议。

3.1控制指标建议

通过数值分析表明，南沙客运港地下通道工程实施过程中，受影响区域主要为周边土体、轨道交通4号线南沙客运港车站主体、Ⅶ 号出入口、Ⅵ 号出入口、B2号风亭，根据以上变形分析结论和本工程特点，同时考虑到现有常规测量仪器的监测精度，并为后期其他工程预留一定的安全储备，综合考虑确定变形控制值如表5所示。

3.2 施工措施建议

（1）基坑降水过程中加强观测。严格控制水流带出的含砂土量，避免超深抽排影响地面的变形。

（2）基坑开挖后及时支护，严禁超挖。基坑开挖到底后，应立即进行通道结构施工，第2道支撑拆除后，底板与第1道撑的间距较大，建议在临近既有出入口一侧增设竖向倒撑。

（3）严格控制地下通道与轨道交通连接措施。精确测量放样，确定破除位置，分层分块进行破除，做好接口防水及加固措施。

（4）加强监控量测。施工期间对周边土体及既有站进行监控量测，监测点应布设在关键特征点上，例如，Ⅶ 号出入口临近地面处、地下通道与地铁连接处、Ⅶ 号出入口通道与基坑临近处等。

（5）做好施工安全防护与应急预案。施工前需完成安全专项方案、安全施工技术交底等工作，需要制定针对性的应急预案，保证在出现异常时各相关单位及人员能够及时有效地进行处理。

4 结论及建议

（1）对淤泥质土的基底地层进行旋喷注浆加固的措施是有效的。根据三维数值模拟计算结果，地下通道基坑施工过程中所引起的周边地层、地铁车站结构的变形均满足相关要求。

（2）基坑开挖过程中应及时支护，重点关注基坑开挖到底、拆除第2道支撑等关键节点的衔接施工，保证周边环境安全。

（3）在施工过程中应加强对既有建（构）筑物结构特征点的監测，保证结构变形的可控性。

（4）通过地下通道施工过程对车站的影响数值模拟仿真计算，可以较好地验证和评估工程实施的可靠性和合理性，依据模拟结果提出合理化建议。

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收稿日期 2019-12-25

责任编辑 朱开明