十字交叉地铁车站施工对既有站变形特性分析研究

孙 朋/SUN Peng

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海 200093）

上海地铁是世界范围内线路总长度最长的城市轨道交通系统，截止至2021 年12 月，共设车站508 座，换乘车站共94 座。随着城市持续建设与发展，上海市轨道交通换乘车站将日益增多，新建车站十字交叉换乘施工问题将会越来越多。

在该类型工程施工过程中，国内外学者对十字交叉穿越既有车站的影响进行了模拟与研究。杨德春等[1]认为原单一的车站组合为线网中重要的换乘节点车站时，既有地铁车站需要新建车站穿越其结构，为确保既有车站安全，在设计与施工过程中需要进行关键的技术处理。黄祚琼[2]通过广州地铁6 号线下穿2 号线实际案例，认为采用暗挖施工可以保证既有地铁的正常运营。罗光财等[3]运用动态模拟方法对基坑开挖过程中既有车站的变形规律进行了分析。陶连金等[4]对既有车站结构安全评估，认为风险等级为特级的车站结构，底板竖向变形控制指标为15mm。许有俊等[5]采用数值模拟分析得出预埋桩基具有约束车站沉降变形纵向发展的作用。李世辉[6]通过有限元数值分析，得出基坑施工引起的附近既有车站结构竖向变形中沉降最大变形量为+8.3mm。李培楠等[7]通过创建三维数值分析模型，对9 号线换乘通道下穿3 号线项目施工时进行了动态模拟，得出下穿既有车站时会导致其结构产生不均匀沉降的变形规律。陈孟乔等[8]通过检测评估、模拟计算、安全检算等，制定了既有地铁结构变形的控制标准。从以上研究中可以看出，目前对于既有车站竖向变形、水平位移变形的变形规律分析研究较少。

本文基于新建上海轨道交通13 号线东明路站实际案例，通过大量的实测车站竖向位移、水平位移等变形监测数据，结合新建车站实际工况与既有车站的空间位置关系，研究分析了十字交叉换乘地铁车站深基坑开挖对既有地铁车站变形特性，对以后类似工程项目施工影响的既有车站监护监测与分析具有一定的参考意义。

1 工程概况

1.1 新建东明路站项目概况

上海市新建轨道交通13 号线东明路站位于浦东新区东明路东侧的成山路附近，新建车站为东西走向且位于成山路下方，与既有运营的轨道交通6 号线东明路站为“T”型换乘。新建车站东、西的两侧端头井均设置为盾构接收井，端头井及标准段宽度分包约为26.8m、22.8m，车站全长约195m，总建筑面积约16059m2。新建13 号线东明路站与既有6 号线东明路站平面位置关系如图1 所示。

图1 新建车站与既有车站平面关系示意图

1.2 新建车站与既有东明路站位置关系

既有轨道交通6 号线东明路站，为地下两层双柱三跨岛式车站，车站站台中心处顶板覆土厚度约为0.8m，底板埋深约13m，车站全长约167m，宽度约为21～26m。既有6 号线车站在地下三层预留建设了13 号线换乘结构，两个车站为十字交叉状，新建13 号线车站的基坑开挖深度比既有车站结构深约8m，标准段与西端头井开挖深度分别为20.3m、22.4m，车站底板位于第⑤1-1 层灰色黏土。既有6 号线东明路站与新建13 号线东明路站剖面图如图2 所示。

图2 新建车站与既有车站剖面关系示意图

1.3 新建东明路站基坑开挖概况

新建车站根据施工缝以及变形缝的位置，总共划分为10 个基坑开挖分区；其中1 区为西端头开挖基坑，2～8 区为标准段开挖基坑，9～10 区为东端头开挖基坑。

基坑开挖首先从东端头基坑开始，采取东向西分区+放坡台阶开挖、垂直方向分层开挖的方式。西端头及标准段同期对称开挖，西端头井采取北向南分两块、垂直方向分层逐步开挖的方式，标准段西向东进行分区+放坡台阶开挖、垂直方向分层开挖的方式；同时为了确保既有车站安全，开挖面高差控制在2m 以内。

2 既有车站竖向变形分析

2.1 竖向变形监测点设置

结合新建13 号线工程特点及与6 号线的相对位置关系，确定既有车站竖向变形监测点布置范围为新进车站施工正对范围约39m（D），两侧各向外延伸4 倍基坑挖深计89.6m（4h×2），上、下行线各计约218.2m。

竖向变形监测点在施工正对范围内按约5m的间距布设，延伸范围内按约10m 间距布设，洞口位置加密布设。既有车站隧道竖向变形监测点设置示意图如图3 所示。

图3 隧道竖向变形监测点布置示意图

2.2 基坑开挖及回筑阶段竖向变形规律分析

新建13 号线东明路站从2016 年4 月16 日进行表层土开挖及首撑施工，2017 年8 月3 日标准段及端头井基坑开挖工作完成，2017 年8 月20日标准段及端头井基坑底板浇筑完成，新建车站于2017 年11 月2 日完成结构封顶。

在新建轨道交通13 号线车站基坑开挖期间，上行线SX11～SX16（25m）、下行线XX11～XX18（35m）接近或超越了报警线。因开挖引起上、下行线竖向变形的长度均达到了约130m（测点08～25），根据新建车站的正投影范围（约为39m），西端头井的开挖深度（约为22.4m），推断出新建车站基坑开挖影响既有车站范围：投影范围加上两侧2 倍基坑开挖深度（D+2h×2）。

在西端头和标准段同期对称开挖期间，既有6 号线东明路站两侧对称卸载，导致车站上抬，至基坑开挖结束，上、下行线竖向位移上抬量分别达到+5mm、+8mm；根据《上海市城市轨道交通结构监护测量规范》要求报警值为：±5mm，既有车站竖向变形轻微超过报警值。

根据上述施工情况，现将各阶段上、下行线道床沉降曲线整理如图4 所示。

图4 上下行线主要施工节点实测竖向变形曲线

从典型点历时曲线可以看出，在基坑开挖期间，既有6 号线车站因侧方卸载的缘故，竖向变形呈明显上抬趋势。在大底板施工、地下结构回筑期间，既有6 号线车站因侧方加载的缘故，竖向变形呈明显下沉趋势，在回筑完成后，车站竖向变形基本回落至初始状态，最终累计变形量在0～-2mm 以内。

地铁车站十字交叉施工，两侧对称开挖后再进行结构回筑，使得既有车站经历了侧方卸载与加载的过程，从而可以控制既有车站的最终竖向变形。

消除桩基围护施工期间引起的上、下行线竖向变形差异沉降后，既有6 号线东明路站上、行线车站竖向变形趋势变形走势吻合度极高，相似率高达99%。结合以上情况，现将各阶段上、下行线车站沉降典型特征点历时曲线整理如图5 所示。

图5 上下行线典型竖向变形历时曲线

2.3 既有车站抗拔桩位置竖向变形规律分析

新建13 号线车站主体结构在施工完成后，紧接着工程进行车站顶部道路修造，1 号出入口、3 号出入口及部分风井等附属设施的建设工作，最终于2018 年9 月9 日项目全部施工完成，2019年5 月26 日项目后期跟踪监测结束。

轨道交通6 号线车站设置有抗拔桩，其中在车站中心、新建13 号线施工正对区域位置有一排抗拔桩，而其位置车站竖向变形最大，特对该位置竖向变形数据进行分析与研究。通过上节数据及曲线图发现，抗拔桩（监测点15、16 号中间）位置，上、下行线竖向变形上抬趋势与周围变形趋势一致，即上抬变形在抗拔桩位置基本不受影响，但在车站竖向变形表现出下沉时表现出不易下沉的情况。通过实测数据发现，在抗拔桩影响竖向变形范围为20m，现将各阶段上、下行线竖向沉降变形曲线整理如图6 所示。

图6 主要施工节点实测竖向变形曲线

从上述主要节点数据中抓取出近抗拔桩位置的监测点绘制典型曲线，从典型点历时曲线可以看出，抗拔桩位置竖向变形在下沉时表现出抗沉的特性。周边不受抗拔桩影响的测点最大下沉量为-6.3mm 时，抗拔桩位置测点最大下沉量仅为-2.7mm。现将上、下行线位移典型特征点历时曲线整理如图7 所示。

图7 抗拔桩位置测点典型竖向变形历时曲线

3 既有车站水平位移变形分析

3.1 水平位移监测点设置

结合新建13 号线工程特点及与6 号线的相对位置关系，确定水平位移监测点布置范围为施工正对范围约39m（D），两侧各向外延伸1 倍的基坑挖深约22.4m（1h×2），上、下行线各计约83.8m。

水平位移监测点在施工正对范围内按约5m 的间距布设，延伸范围内按约10m 间距布设。既有车站水平位移变形监测点布置示意图如图8 所示。

图8 隧道竖向变形监测点布置示意图

3.2 基坑开挖及回筑阶段水平位移变形规律分析

根据上述施工阶段情况及实测数据进行分析，既有6 号线车站在东西两侧均受施工影响，故上、下行线水平位移总量较小，均未超过报警值±5mm。水平位移布点两侧各向外延伸1 倍基坑挖深（1h），但从监测数据看出线路的首尾两端位移变形虽比施工区域变形小，但变化量也达到+2mm，所以实际施工影响范围要大于现布点监测范围。现将各阶段上、下行线水平位移曲线整理如图9所示。

图9 上下行线主要施工节点水平位移变形曲线

从典型点历时曲线可以看出，因新建13 号线车站标准段在既有6 号线车站东侧、端头井在其西侧，标准段基坑开挖面积远大于端头井，施工期间上、下行线水平位移均为向东偏移。将上、下行线典型特征点历时曲线整理如图10 所示。

图10 上下行线典型水平位移变形历时曲线

4 结论与建议

本研究基于上海市轨道交通13 号线东明路站新建施工期间既有6 号线东明路站监护监测项目，结合现场实际测量成果，对十字交叉地铁车站施工影响既有地铁车站变形特性进行分析，得到的主要结论如下。

1）因基坑开挖（侧上方卸载）及地下结构施工（侧上方加载）影响，上、下行线道床沉降在施工正对区域呈明显的先上抬后下沉的趋势。

2）地铁车站十字交叉施工，两侧对称开挖后再进行结构回筑，可以控制既有车站的竖向变形。

3）地铁车站十字交叉施工影响竖向变形范围，为投影范围+两侧2 倍基坑开挖深度（D+2h×2）。

4）既有6 号线车站因在车站中间抗拔桩的存在，上、下行线沉降在其位置附近上抬变形与周围一致，但在下沉变形时表现出“抗沉”的特性。

5）既有车站水平位移在布设监测点时，两侧各向外延伸1 倍基坑挖深（1h）无法满足监测需求，建议增加监测点布设监测范围，监测范围长度应大于施工的投影范围+两侧1 倍基坑开挖深度（D+1h×2）。

6）地铁车站十字交叉施工（两侧对称开挖）期间对水平位移影响较小，宜采用此类开挖方式指导类似工程施工。