既有地铁车站下方新建换乘车站变形影响研究

丁华兴，谢 俊，陈寿根

(1.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029； 2.西南交通大学，四川 成都 610031)

0 引言

目前，国内城市轨道交通领域蓬勃发展，各地城市总体规划及线网规划更新加快，早期规划的地铁线路密度难以满足日益增加的客流及岗位需求，从而出现了大量已运营地铁车站未预留新增地铁线路换乘条件的情况。在已运营地铁车站下方增加换乘车站的大空间土体开挖施工，将改变原设计上部车站的受力状态，原设计中用于抗拔的桩基无法满足下部新增换乘车站施工期间的结构承载能力，需要通过其他手段及施工方法来解决。国内外已经对该类工程进行了相关研究，也取得了很多成果。张成平[1-2]、房倩等[3]以北京地铁5号线崇文门暗挖车站下穿既有地铁隧道施工为背景，根据现有数据评估制订了既有地铁隧道结构沉降控制标准，并制定了各施工步序的沉降控制值；王春辉[4]结合北京地铁运营公司对于安全运营的维修措施，利用ANSYS有限元软件对既有地铁结构的变形规律进行了分析，划分了各种工况下新建地下工程对既有地铁结构的影响因素；赵江涛等[5]学者对洞桩法地铁车站顺行密贴下穿既有隧道方案进行优化研究，保证了新建车站下穿既有大屯路隧道的顺利施工；李兆平等[6]对南京地铁1号线南京地铁车站80°角下穿南京火车站既有铁路站场工况进行优化，对线路采用D24型便梁加固，确保了铁路线路的运行安全和隧道施工安全；赵衍发[7]以北京地铁4号线宣武门车站下穿既有工程为背景，采用数值分析计算、现场监测等手段对浅埋暗挖法下穿既有地铁车站的风险控制进行了系统研究；张旭[8]以北京地铁6号垂直密贴下穿既有2号线朝阳门站为工程背景，采用FLAC3D有限差分软件模拟分析了密贴下穿施工引起既有地铁车站结构沉降规律，基于现场监测数据对既有地铁车站结构沉降规律进行了系统分析与安全评价。

尽管已有相关学者对地下结构下穿既有工程的施工控制技术进行了一定的研究，但由于工程的独特性、唯一性，目前为止仍没有系统全面地揭示下穿施工对既有地铁车站的影响规律。施工、设计往往凭借经验估算，缺乏科学的依据。因此在已运营地铁地下车站下方新增换乘节点问题上，亟待研究设计一套新型的施工方法，能够较好的确保已运营地铁线路的运营安全及施工安全，有效实现上部结构的受力转换，实现工程建设的优质、高效。

1 工程概况

深圳地铁7号线石厦站换乘节点位于福民路与石厦北二街十字交叉路口，从既有已运营深圳地铁3号线车站结构下部穿过，该换乘节点呈T型布置。地下3层换乘节点长41.8 m，宽20.6 m，净高9.5 m。地层结构自地表以下依次为：素填土，淤泥质粉质黏土，砾砂，砾质黏性土，全风化花岗岩，强风化花岗岩，中、微风化花岗岩。节点基底位于强风化层，局部为全风化层。地下水主要有第四系孔隙水及基岩裂隙水，水位埋深3.6 m～4.3 m。深圳地铁7号线石厦换乘站周边环境、结构平面见图1。

由于深圳地铁3号线已运营，工程状况已发生了较大变化，原预留条件为仅考虑在未覆土、未运营工况下的结构设计，已不能满足现有实际工况下的受力、变形要求。并且由于现场南侧有一幅连续墙未施工完成，无法形成封闭止水。原有验证结果无法满足实际需要，需对现有工况重新进行验证。

2 数值计算分析

2.1 换乘节点车站结构内力及配筋计算

-3层换乘节点内增设电缆夹层板(400 mm厚)，-3层层高净跨显著减小，层高减小到7.5 m。叠合墙取800 mm厚(考虑到3号线施工时连续墙出现较大变形，墙体质量和刚度有所下降，对-3层换乘节点叠合墙厚度适当折减进行检算，连续墙厚度折减为原厚度的50%，即叠合墙厚度取800 mm)。具体物理力学参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

计算模型图以及弯矩内力图如图2和图3所示。

根据计算结果，内力标准值如下：

1)叠合墙内侧跨中正弯矩：标准值811.0 kN·m。

2)叠合墙外侧上端负弯矩：标准值600 kN·m。

3)叠合墙外侧下端负弯矩：标准值1 100 kN·m。

4)底板两端负弯矩：标准值1 530 kN·m。

5)底板跨中正弯矩：标准值710 kN·m。

综上，结构配筋均满足要求。

2.2 既有深圳地铁3号线竖向沉降计算

采用ADINA有限元程序三维建模进行计算，开挖计算顺序按中导洞法施工工序，首先施加南侧未施作的地连墙形成封闭止水，再暗挖-2层板下两个边洞、施作板下梁及混凝土斜撑；节点两侧7号线基坑对称分层开挖到基坑底部并施作节点梁端4根2.0 m×1.2 m矩形桩基；然后暗挖中导洞，最后分层分段开挖节点内中部土方，完成剩余侧墙、底板结构施工。计算模型及桩基沉降结果如图4，图5所示。

根据图5中计算结果可知，暗挖中导洞施作中部底纵梁和部分底板，加固底板梁下的土层，提高其地基承载力，则地基将更多的分担本应传递到桩基的荷载。经计算，-3层换 乘节点既有8根桩基沉降为4.6 mm，小于预警值，满足3号线地铁运营要求。

3 监测方案设计与现场实测数据验证

换乘节点开挖过程中，土体性状和支护结构的受力状况都在不断变化，支护结构受地质、荷载、材料、施工工艺及环境等诸多因素影响较大，特别是对于水压力的取值问题，理论计算值有时与实际现场的地下水位相差较大，造成理论预测还不能全面而准确地反映工程的各种变化。所以为确保工程安全、稳定，在施工过程中必须对地层和支护结构进行动态监测，为施工提供可靠的信息，以达到科学指导施工，合理修改设计或及时采取施工技术措施的目的。

1)监测范围主要为换乘节点基坑开挖宽度及基坑两侧影响范围。

根据换乘节点的实际情况，现场主要监控量测项目有：既有3号线车站主体梁、板、柱结构的内力、变形监测；地面、建(构)筑物沉降观测点、支护结构的水平位移、沉降及测斜孔、钢支撑的轴力、水位观测孔、基坑底部回弹等。

2)监测周期。

2013年10月～2015年8月，监测历时23个月。具体自动化监测设计方案如图6所示。

3)信息化监测设计控制数值。

依据深圳市《城市轨道交通安全保护区施工管理办法》2011版，当实际变形值达到最大允许变形值的60%时，须向有关单位发出黄色预警；当达到最大变形允许值的80%时，应发出橙色报警；当超过最大变形允许值时，应发出红色报警。

变形监测控制指标如表2所示。

表2 变形监测控制指标

4)现场实测数据验证。

截止至2015年8月31日，3号线石厦站左线最大累计沉降值为+7.3 mm；最大累计位移值为+5.6 mm，详见表3，表4。

表3 最大沉降统计表

表4 最大水平位移统计表

由表3和表4可知，深圳地铁3号线石厦站左线最大累计沉降值为+7.3 mm，超出预警值6.0 mm，由施工中注浆、开挖等工序可知，监测点位移超出预警值主要是由于施工过程打孔、注浆引起的地表沉降位移变化。

通过第2节可知，在结构配筋满足规范的基础上，既有结构沉降约为4.6 mm，3号线石厦站左线最大累计沉降值为+7.3 mm，最大累计位移值为+5.6 mm，从以上数据可以发现，数值模拟结果较实测结果偏小，这与数值模拟未考虑开挖、结构施作时间间隔以及现场其他复杂条件有关。

根据数值模拟结果和现场实测结果综合分析可知，数值模拟计算结果较完工后实测值偏危险，采用数值模拟结果对现场实测结果进行校核时应考虑一定的安全系数，必须对于数值模拟结果留有一定的余量。根据深圳地铁7号线石厦站下穿既有深圳地铁3号线车站数值模拟结果和现场实测结果，建议数值模拟安全系数取1.2～1.5，以确保深圳地铁7号线下穿3号线区域时隧道开挖及运营安全。

4 结语

已运营地铁车站增层换乘节点时，首先要分析工程的具体实施条件，进而拟定相应的设计方案和风险控制对策，避免工程施作过程中出现不必要的风险，采用中洞暗挖法和明挖内支撑法相结合的施工方法，是一种有效解决地下三层换乘节点遗留工程的有效工法，不但确保了施工及运营线路安全，还加快了工期，确保了工程质量[9]。该技术难题的成功攻克为今后同类工程起到指导和借鉴作用，技术效益和社会效益显著。

1)通过在节点外侧设置竖井，开挖前采用超细水泥液进行注浆封闭止水及开挖时补充注浆，确保了节点南侧未封闭连续墙注浆止水的效果，控制了区间盾构隧道与车站连接处因失水沉降而产生的风险。

2)先暗挖-2层顶板下两侧边洞、施作板下梁及混凝土斜撑，再暗挖中导洞浇筑中部底纵梁及底板形成中部底板受力体系，通过底板与底梁将部分节点荷载传给地基土，实现了“地基土-立柱桩-地连墙”三者共同承担竖向荷载，同时起到了对地基土加固的作用。

3)通过设置多层临时型钢喷混结构作为横向对撑，控制开挖期间水平变形；节点部位增设400 mm厚电缆夹层板，并在此设倒角，同时将-3层底板与侧墙相交处的倒角加大，从而将节点-3层分为上下2层，减小了换乘节点的结构高度，优化了-3层结构受力；通过对地连墙增加植筋作为胡子筋，将侧墙与地连墙有效叠合，保证了侧墙与原地连墙之间的连接效果。

4)对已运营3号线石厦站提出限速运行的要求，并对3号线运营轨道进行调轨措施、扣轨加固处理。同时换乘节点遗留工程施工过程中对已运营3号线车站区间影响范围进行全自动监测，及时反馈信息；根据监测结果显示，已运营3号线轨行区结构沉降7.3 mm<±10 mm控制值，轨道竖向差异变形3.1 mm<±4 mm控制值，地下车站增层换乘节点施工过程均在安全可控的状态下进行。

5)数值模拟计算结果较完工后实测值偏危险，采用数值模拟结果对现场实测结果进行校核时应考虑一定的安全系数，根据数值模拟结果和现场实测结果的对比分析，建议数值模拟安全系数取1.2～1.5。

6)数值模拟结果和现场实测数据充分验证了换乘节点的设计及施工方案是合理的，结构变形都在设计容许范围内，信息化监测为现场施工提供了可靠的实测数据参考，确保了已运营3号线石厦站及区间隧道结构及运营安全。