地铁车站密贴斜穿既有地铁车站的变形分析

姜晓，张志伟

1.北京北咨工程咨询有限公司，北京 100020；2.中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250002

0 引言

各国对开发利用城市地下空间的研究不断深入，新建地铁车站时遇到较多穿越施工问题，即新建车站或隧道对既有建(构)筑物造成影响[1-4]，因岩土工程领域的复杂性，既有工程的典型案例往往不能照搬到新工程中。如:长春地铁1号线卫星广场站下穿轻轨3号线，采用了叠合板的结构设计，两者净距为0[5]；北京地铁10号线公主坟站下穿既有1号线公主坟站，2个车站的净距为0.5 m[6]；北京地铁5号线崇文门站下穿既有地铁隧道车站-隧道间净距为2.5 m[7]；成都地铁倪家桥站与既有倪家桥站间净距为2.4～2.6 m[8]。田均举等[9]引入最大沉降量修正系数和沉降槽宽度修正系数改进Peck公式，获得较准确的地表沉降预测曲线；周庆国[10]扩大既有隧道注浆加固范围，可使隧道结构变形呈线性减小；刘士海等[11]提出既有盾构隧道沉降理论公式并拟合分析沉降实测数据，认为增大拱脚受力面积的施工辅助措施对控制地层损失率有一定作用；何海健等[12]从既有车站沉降的影响来源、传播路径和保护对象等方面总结穿越技术措施，采用丝杠横梁支顶辅以高压补浆工艺在采用桩梁拱(pile beam arc，PBA)工法施工梁柱体系形成后对抑制既有车站后期沉降起到关键作用。

北京地铁6号线苹果园站采用PBA工法进行施工。车站与既有车站主体结构存在空间交叉，两者之间的最小净距仅为0.5 m，须先通过理论计算分析，了解并掌握施工过程中地表沉降变形基本规律，为地铁车站的施工提供相应的技术指导。本文采用三维软件GTS-NX建立地铁车站-既有车站的三维有限元模型，计算分析PBA工法动态施工时地表沉降变形发展规律，并对比实测沉降与数值模拟沉降结果。

1 工程概况

地铁6号线苹果园站位于既有1号线苹果园站的下方，6号线苹果园车站斜穿段为双层双柱三跨岛式站台暗挖车站结构，斜穿段两侧为3层结构，斜穿段底板埋深27.029 m，结构顶板覆土11.759 m，结构宽23.5 m，高14.92 m。斜穿段处于复杂地层中，施工范围内上部为杂填土、粉质黏土，下部为5种不同粒径的卵石地层。

车站共设置4处出入口，2座风亭，1个安全出口；规划5处施工竖井，2个无障碍电梯、2个过街通道、2个换乘通道车站。

表1 施工变形控制指标

施工的主要技术难点在于新建车站需密贴斜穿(净距为0.5 m)既有车站结构，且地表沉降不得大于30 mm，既有车站沉降不得大于3 mm。施工变形控制指标如表1所示[13-16]，新建车站与既有车站位置关系见图1。

a)平面图 b)剖面图 图1 新建车站与既有车站位置关系

2 车站下穿施工变形模拟

2.1 车站开挖过程

车站施工时采用超前注浆条件下的PBA工法，施工步序为：导洞周围土体超前注浆—开挖导洞并加装初期支护—施作底部条形基础及底纵梁—施作边桩及中柱—施作顶纵梁及顶冠梁—采用中隔壁(center diaphragm，CD)法开挖边导洞与中导洞间的土体—采用台阶法开挖中导洞间的土体—拆除中隔壁及部分导洞初期支护，施作顶部二衬扣拱并及时注浆回填—向下开挖土体并施作侧墙及中楼板—继续向下开挖剩余土体并施作底板直至整个结构完成[17-20]。PBA工法施工主要施工步骤如图2所示。

图2 苹果园站PBA工法施工主要施工步骤

2.2 三维有限元模型的建立

采用迈达斯有限元分析软件GTS-NX建立三维数值模型，分析各施工阶段对地表沉降及既有车站底板沉降变形的影响。综合考虑尺寸效应带来的计算误差，模型左右边界长度为开挖断面长度的3倍，模型上下边界为开挖断面高度的3倍，模型尺寸为100 m×60 m×60 m。土体本构模型采用修正摩尔-库伦模型，模型上边界为地表，设为自由边界，其他面边界采取法向约束。结构受力只考虑重力场的作用。为保证数值模拟结果的可靠性，在保证计算精度的前提下，对既有车站模型进行了合理简化。模拟土层、二次衬砌及既有车站均采用六面体实体单元，模拟初期支护单元采用板单元，模拟新建车站与既有车站的边桩与中柱均采用梁单元。采用改变属性的方式模拟超前加固及回填注浆等措施[21-23]。有限元模型如图3所示，新建车站与既有车站的关系如图4所示。

图3 三维有限元计算模型 图4 新建车站与既有车站的关系

土体数值模拟计算参数见表2。初期支护、二次衬砌、既有车站柱、新建车站桩、新建车站柱、条形基础、底纵梁、顶冠梁、顶纵梁、超前注浆的弹性模量分别为2.55×104、3.25×104、2.10×105、3.00×104、2.00×105、3.00×104、3.00×104、3.00×104、3.00×104、50 MPa，泊松比除超前注浆为0.23外，其余均为0.20。

表2 土体数值模拟计算参数

3 结果分析

3.1 数值计算结果分析

为分析密贴下穿施工对地表沉降变形的影响，布设监测断面L1，如图5所示。

对不同施工阶段引起的地表沉降进行分析，对监测断面L1进行全过程监测。监测断面L1地表沉降结果如图6所示。

由图6可知：随着新建车站的开挖，地表发生竖向沉降并逐渐增加。导洞开挖和二衬扣拱阶段引起的地表沉降较大，导洞开挖完成后最大地表沉降为-12.25 mm，占整个开挖阶段总沉降的48.2%；扣拱阶段完成后最大地表沉降为-24.21 mm，占整个开挖阶段总沉降的27.3%；二衬扣拱完成后，地表变形趋近于稳定。地表沉降曲线沿着开挖中心线呈对称分布，左侧沉降略大于右侧沉降。各阶段施工引起的地表沉降占总地表沉降比例如表3所示。

图5 地表沉降监测布置图 图6 数值模拟监测断面L1累计地表沉降曲线

表3 各阶段施工引起的地表沉降占总地表沉降比例

由图6、表3可知：导洞开挖阶段对地表沉降影响最大。导洞开挖时应严格遵守施工管理规定，做好超前预加固措施及导洞开挖方式规划，尽量避免群洞效应带来的不利影响。进行中隔壁施工时，开挖完成后在结构内土体的卸载作用下，既有车站和梁柱体系引起地表发生部分回弹。进行扣拱施工时，地应力随施工进程重新分布，地表变形增加。扣拱施工是整个结构受力转化最复杂的部分，需合理安排扣拱施工顺序，及时注浆回填等。进行站厅层及站台层施工时，因扣拱阶段施工完成，整个结构受力体系完成，进一步开挖不再对地表产生较大影响[24-26]。但既有车站对地表沉降变形有一定的影响。

3.2 实测结果分析

断面L1实际沉降监测结果如图7所示。数值模拟沉降与实测沉降对比如图8所示。各施工阶段引起的地表沉降占总沉降比例如表4所示。

图7 断面L1实际监测结果 图8 数值模拟沉降与实测沉降结果对比

表4 各阶段施工引起的地表沉降占总沉降比例

由图7、8及表3、4可知：1)实测沉降及数值模拟沉降均显示导洞开挖引起的地表沉降占地表总沉降的比例最大，其次为二衬扣拱阶段；2)实测沉降略大于数值模拟沉降，原因是进行数值模拟计算时进行了简化，不能完全模拟实际情况，但两者最大沉降差不超过5%；3)实测结果显示，监测点8、9最大沉降略小于监测点1、2，既有车站对地表沉降产生影响。

4 结论

1)采用PBA工法修建地铁车站，施工中导洞开挖阶段引起的地表沉降占地表总沉降的43.5%，扣拱施工引起的地表沉降占地表总沉降的24.8%，说明导洞开挖、二衬扣拱阶段是控制地表沉降的关键环节。

2)既有车站的存在对地表沉降产生一定的影响。

3)实测最大沉降与数值模拟最大相对沉降相差小于5%，验证了数值模拟结果的有效性，可以较准确地反映实际情况。