复杂环境下地铁三线换乘车站深基坑变形研究

刘军

（中国铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司，四川 成都 610000）

城市轨道交通已成为我国经济发达地区城市的重要出行工具。截止2019 年底，中国大陆有43 座城市正式开通并运营了轨道交通，开通线路达到197 条，运营长度达6468 公里[1-3]。线路的增加使得轨道交通呈网络化发展，在地铁线路纵横交错的同时，越来越多的交通换乘枢纽应运而生[4]。换乘车站由两线换乘逐步向三线换乘，甚至是三线换乘发展[5]。三线换乘使地铁车站建造更为复杂。车站施工过程中必不可少的遇到近接、接驳等问题，建设难度增大[6]。对此有必要开展复杂环境下地铁三线换乘车站建造关键技术研究，通过研究为今后三线换乘车站建造提供借鉴。

1 工程概况

成都轨道交通9 号线一期工程全程长度为22.18km，设置13 座车站，它是四川乃至中国西部第一条全自动无人驾驶的地铁环线，线路位于成都市三环线与绕城公路之间，其中孵化园站为环线中最为复杂的地铁车站，为双柱三跨地下二层（局部三层）岛式站台车站，它垂直于交子南一路与天府大道，整体沿锦城大道路敷设，车站总长度428.1m。标准段结构外皮宽25.5m，标准段基坑深度约22.5m。孵化园站为三线换乘车站，与沿交子南一路敷设的1 号线、沿天府大道敷设的在建18 号换乘，成都轨道交通9 号线一期工程孵化园站总平面图如图1 所示。

图1 成都轨道交通9 号线孵化园站平面图

2 复杂环境下地铁三线换乘车站深基坑变形研究

孵化园站为三线换乘车站，变形控制难度大，地质情况复杂，以黏土、卵石、泥岩为主，其中卵石层厚10-15m，地下水埋深4-6m，对车站影响大。根据工程水文地质特征和换乘车站特征得出孵化园站围护结构设计存在三个重难点问题：（1）卵石地层稳定性差，工期紧张需优化围护结构型式实现快速施工，增加了基坑变形难度控制困难[7]；（2）场地狭小，需采用坑外降水提高施工效率，而基坑降水易引起卵石地层损失，造成地表沉降过大；（3）换乘节点环境复杂，换乘车站相互影响较大，场地受限严重，结构型式更为复杂。

2.1 孵化园站深基坑围护结构变形及控制技术

采用PFC3D 建立三维模型，分析内支撑支护时机对深基坑围护结构稳定想的影响。选择孵化园站基岩埋深最深断面，建立数值模型。计算中，考虑到卵石层的颗粒差异较大，无中间级配颗粒，颗粒间无细颗粒充填，缺乏黏聚力，因此对场区的的卵石（均为中密）采用离散的粗颗粒进行模拟；素填土和杂填土在物理力学性质上均为松散土层，两者的力学强度参数较低且相近，为便于建模，视为同一土层，密度取较大值，基岩为中风化泥岩。

与一般的土层不同，尽管卵石土层为中密状态，但其颗粒之间主要是通过点接触形成抗剪强度，卵石颗粒之间不存在黏聚力，因此采用线性模拟卵石土的力学行为[8]，对于各个土层的物理力学参数一般通过室内试验获得，土层颗粒的密度、法向刚度、切向刚度和摩擦系数结果见表1。基坑宽度25.5m，开挖深度22.5m，为节约计算时间，取部分基坑建立数值模型，计算尺寸40×25×10m，模型见图2。围护结构及内支撑采用clump 模拟，细观颗粒参数依据等效刚度原则进行标定。

表1 孵化园站地层参数

图2 基坑开挖模拟

图3 为通过离散元数值模拟分析得到的基坑围护结构变形曲线。

图3 围护结构变形图

由计算结果可以得出：

（1）未施加内支撑时，围护结构最大位移位置位于桩顶，基坑开挖3m 时，最大位移为3mm，基坑开挖6m时，最大位移为10mm，基坑开挖9m 时，最大位移为22mm，已超过倾斜控制基准。孵化园站基岩埋深浅，地质条件相对较好，围岩稳定性强。

（2）在基坑顶部下方1m 处施加第一道支撑，继续进行开挖，开挖4m 时，最大位移为2mm；开挖7m 时，最大位移为6mm；开挖10m 时，最大位移为10mm；开挖13m时，最大位移为17.5mm，接近倾斜控制基准；第二道内支撑可设在基坑深10-13m 处。考虑内支撑施作时，为了施工方便，下部土体会开挖0.5m-1m，对此孵化园站第二道支撑设在10.5m 处。

（3）在基坑深10.5m 处设置第三道支撑，开挖14m时，最大位移为12mm；开挖17m 时，最大位移为15mm；开挖20m 时，最大位移为23mm，接近倾斜控制基准；第三道内支撑可设在基坑深17-20m 处。对此孵化园站第三道支撑设在18m 处。

（4）设置3 道支撑后，开挖至隧道底部，最大倾斜为21mm，最大倾斜位置位于基坑中部，围护结构呈弓形，最大倾斜未超过控制基准，孵化园站设置3 道基坑能够满足围护结构稳定性。

在内支撑施作时机确定的基础上进一步分析围护结构及地表沉降变形，计算得出的围护结构位移分布模式并研究提取了不同施工阶段的围护结构变形并与现场实测结果进行了对比。研究结果表明，随着基坑掘进进程的不断深入，基坑围护结构的位移峰值呈现逐步向下偏移的规律，且围护结构最大变形整体位于开挖裸露的围护结构中部，结构变形呈弓状。基坑底部会产生一定的隆起，随着开挖基底隆起不断增加。通过对比现场监测值和数值计算结果，可以看出，两者规律接近，验证了模拟结果。计算值和实测值均未超过围护结构倾斜预警值，可见3 道支撑设置可以满足孵化园站安全要求。

在分析围护结构的基础上，进一步研究了孵化园站地表沉降。研究结果表明，随着基坑掘进进程的不断深入，地表最大沉降逐步增大，地表沉降最大值发生的位置大约距离基坑变形4m 到8m 不等的位置，且表现出随掘进深度增加而逐步向外移动的规律。地表测点距离基坑边缘超过8m 后，地表沉降量值迅速减小，超过16m 后，地表沉降受基坑开挖的影响可以忽略。现场实测最大值和数值计算结果均为超过地表沉降预警值20mm，可见孵化园站围护结构能够有效的抑制地表沉降。

2.2 换乘节点基坑变形控制技术

1 号线与9 号线换乘节点变形控制，为增加支撑刚度，降低土体变形对既有线结构的影响，车站大里程端头位置紧邻既有1 号线第二、三道斜撑考虑采用混凝土支撑，混凝土支撑截面为1000 mm×1200mm，腰梁截面为800 mm×1200mm。1 号线孵化园站主体结构东西两侧5m 范围内围护桩采用人工挖孔桩施工，孔深12.2m，临近1 号线孵化园站附属结构B、C 出入口围护桩采用上挖下钻法施工，穿越既有结构地层部分采用人工挖孔桩施工，剩余部分采用旋挖钻孔桩施工，孔深26.25m，其中人工挖孔部分深度为13.5m。B 出入口靠近既有线围护桩与1 号线主体侧墙距离约5.3m，与保留的1 号线通道距离约0.8m。靠近1 号线既有结构5m 范围内的B、E及F 型桩采用人工挖孔桩，其中E、F 型桩为桩顶位于既有结构下方，既有B 出入口结构内的围护桩需等B 出入口结构破除后， 施工围护桩， 围护桩采用Φ1200@1800mm，混凝土设计等级C35 混凝土，桩长为14.3-16.97m。B 出入口共设置三道钢支撑，与主体结构连接采用φ609 钢支撑，靠近1 号线斜撑的采用600×800 混凝土支撑。靠南侧围护桩则设置4 道锚索，锚索3-4 根φs17.8 钢绞线，锚固长度6-12m，预加应力300-420kN。采用φ42 小导管对填土较厚、稳能力差的地段及地质条件不良区域进行注浆加固，保障基坑正常开挖。

孵化园站小里程与18 号线节点进行车站换乘，18号线盾构区间下穿9 号线，车站为三层结构形式。该节点段设置三道支撑，第一、二道为混凝土支撑，第三道为钢支撑，18 号线盾构区间范围内采用隔断桩+预应力锚索。土方开挖施工期间需破除18 号线既有围护桩17 根开始施作混凝土支撑，车站主体结构与18 号线进行接驳。18 号线主体结构围护结构体系为φ1200mm 围护桩@1800mm，桩顶冠梁截面尺寸1700mm×1000mm，长33.25m。

针对地铁三线换乘车站复杂换乘节点孵化园站提出了“人工挖孔桩+混凝土支撑+钢支撑+锚索”的组合深基坑围护结构型式。采用现场监测的方法对换乘节点围护结构变形及地表沉降进行了监测，如图4 所示。

图4 换乘节点基坑变形控制结果

由图4 可以看出，换乘车站换乘节点采用“人工挖孔桩+混凝土支撑+钢支撑+锚索”的组合围护结构型式后，围护结构变形及地表沉降均处于较小的水平，能够保障换乘节点深基坑的安全施工。同时，将内支撑优化为锚索也为换乘节点既有构筑物的拆除节省了空间。

3 结论

孵化园站为三线换乘车站基坑变形控制难度大。为实现孵化园站快速、安全施工，开展了围护结构变形控制研究、降水对地表沉降影响的研究、换乘节点围护结构设计研究，得出了以下几点内容：

3.1 通过离散元数值模拟分析了内支撑施作时机对围护结构变形的影响，得出了孵化园站内支撑施作时机。

3.2 明确了孵化园站围护结构变形特征，围护结构围护结构最大变形整体位于开挖裸露的围护结构中部，并随开挖逐步下移。

3.3 针对地铁三线换乘车站复杂换乘节点提出了“人工挖孔桩+混凝土支撑+钢支撑+锚索”的组合深基坑围护结构型式。