市政工程对既有地铁结构的影响分析

李晏川LI Yan-chuan

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 100072）

0 引言

我国的人口数量众多、城市人口密度大，随着城市的快速发展，地铁凭借自身大运量，速度快，小干扰，低能耗等优势，在现代城市交通系统中逐渐成为主流。我国地铁经过多年探索，在一定程度上逐步与商业性质的地下街道结合演变为功能齐全的综合体。目前新建的地铁系统会在车站与大型公共活动中心预留附属的连接通道，在主体结构、区间隧道施工完成后或线路通车运营后再进行施工，这种附属结构后期施工的方式会对既有结构造成一定影响。王国波[1]研究了软土地铁车站结构三维地震响应计算理论与方法；刘鑫[2]等人进行了破口施工对既有地铁车站结构安全性影响的数值模拟分析；王志杰与许瑞宁[3]在基坑开挖对紧贴既有地铁车站的影响进行了分析；时晓贝[4]对临近地铁的深基坑开挖方案进行了研究；本文基于以上学者的研究与论述，建立了包含市政通道、车站结构及附属结构的三维数值模型，分析了新建市政通道全过程施工周期对既有车站结构及附属出入口的位移变化规律，并给出了一些保护监测措施及建议。

1 工程概况

1.1 项目背景

常州地铁1 号线聚湖路站位于花园街与聚湖路交叉口，跨路口沿花园街南北向设置，武进万达广场位于花园街与聚湖路路交叉口西南象限，聚湖路站3 号出入口设置于武进万达广场东北侧，如图1 所示。目前车站主体及附属土建工程已施工完成。

图1 武进万达广场与聚湖路站3 号出入口连通总平面示意图

1.2 评估项目概况

新建联通口计划设置在花园街与聚湖路路交叉口西南象限处，垂直花园街方向，位于聚湖路站3 号出入口通道与武进万达广场地下室之间。本次评估范围内，武进万达广场距3 号出入口净距约为21.8m，联通口连接武进万达广场与3 号出入口，位于地铁保护区范围。

2 三维计算分析

2.1 评估方法

新增联通口工程，考虑到施工引起的地铁线路结构沉降与地层关系密切，因此采用地层-结构模型进行变形分析。目前，可用于地层-结构模型分析的大型计算软件有ANSYS、Midas、FLAC 等。本次计算采用Midas 软件，模拟水系联通管线明挖施工过程对地铁车站结构及轨道的安全性影响，提供既有结构的变形分析结果，评估地铁车站结构和轨道结构的安全性，并根据行车安全的要求，综合各种影响因素，提出管线施工时，地铁车站结构和轨道结构的变形控制标准和保护措施。

2.2 计算模型

考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取通道工程与地铁结构的有效影响范围，本次数值计算中取长136.822m，宽117.688m，自地表60m 厚的土体作为考察范围。重点考察地铁结构由于施工产生的位移及受力情况。三维有限元计算模型如图2 所示，三维有限元计算模型中基坑与地铁结构、地下室结构的相对位置关系如图3 所示。

图2 三维有限元计算模型图

图3 基坑与地铁结构相互位置关系

本次计算模型中周围土体采用实体单元，不同的土层采用不同的材料模拟，边界条件的选取时除了顶面取为自由边界，其他面均采取法向约束。地下室结构、车站结构、区间隧道结构、出入口结构均采用板单元模拟，地铁车站中柱和地下室柱均采用梁单元模拟，通道工程围护结构采用板单元模拟，支撑采用梁单元模拟。

模型计算分析采用岩土工程三维有限元软件Midas GTS NX，计算原则如下：

①假定围岩各层都是各向同性连续介质，土体采用Mohr-Coulomb 模型；

②假定地表和各土层均成层均质水平分布；

③地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化；

④初始平衡按照将重力加速度加到模型上，由程序自动获得；

⑤不考虑地下水在开挖过程中的影响；

⑥计算建模时，对基坑工程范围、地铁结构范围及周边关心的部位网格剖分加密。

计算荷载考虑以下方面：

①地铁既有结构自重；

②土体竖向自重；

③地面超载20kPa；

④其他荷载。

2.3 计算参数

本次分析的土层参数根据勘察报告，并无直接提供弹性模量值，本项目根据岩土工程勘察报告提供的压缩模量平均值ES和变形模量E0，在初定弹性模量E=（3～5）ES的基础上，结合已有工程经验，得出各土层弹性模量。

2.4 施工工序

本次评估采分层施工方式模拟，计算模型中的施工工序采用7 步模拟，计算步与施工条件如表1 所示。

表1 计算模拟工序

2.5 计算结果

2.5.1 车站计算结果

通过建模分析，得出不同施工阶段下车站结构最大位移结果，总结于表2 中；车站结构总位移最大值绝对值随施工变化情况如图4 所示；开挖到最深处的车站结构总位移云图如图5 所示。

图4 车站结构总位移最大值绝对值随施工步变化曲线

图5 三层开挖施工后车站结构总位移云图

表2 不同施工阶段下车站结构最大位移结果

依据数值计算结果，可得出以下结论：①联通口通道开挖后，对出入口的影响主要体现在竖向位移上。②联通口通道施工时，随着开挖深度的增加，车站结构位移逐渐增大，开挖至坑底时位移达到最大，总位移极值约为5.147mm，竖向位移极值约为5.017mm，结构施工覆土回填后总位移和竖向位移有所减小。

2.5.2 出入口计算结果

通过建模分析，得出不同施工阶段下出入口结构最大位移结果，总结于表3 中；出入口结构总位移最大值绝对值、竖向位移最大值绝对值、X 方向位移最大值绝对值、Y方向位移最大值绝对值随施工步变化情况分别如图6-图9 所示；开挖到最深处的出入口结构总位移云图如图10所示。

图6 出入口结构总位移最大值变化曲线

图7 出入口结构竖向位移最大值变化曲线

图8 X 方向位移最大值变化曲线

图9 Y 方向位移最大值变化曲线

图10 三层开挖施工后出入口结构总位移云图

表3 不同施工阶段下出入口结构最大位移结果

依据数值计算结果，可得出以下结论：①联通口通道开挖后，对出入口的影响主要体现在竖向位移上，水平位移小于竖向位移，Y 向水平位移略大于X 向水平位移。②联通口通道施工时，随着开挖深度的增加，车站结构位移逐渐增大，开挖至坑底时位移达到最大，总位移极值约为7.422mm，竖向位移极值约为7.354mm，结构施工覆土回填后总位移和竖向位移有所减小。③当附属通道开洞时，出入口位移发生较大变化，产生较大竖向位移。

3 结论

本次评估采用理论分析、基坑验算、三维有限元分析对评估项目对常州市轨道交通1 号线聚湖路站与武进万达广场连接通道对聚湖路站及3 号出入口的影响进行了分析。综合分析结果，可以得出以下主要结论：

①根据计算，常州市轨道交通1 号线聚湖路站与武进万达广场连接通道对聚湖路站及3 号出入口存在一定的影响，引起既有地铁结构产生一定的变形，产生的影响处于可控范围内，均满足控制指标要求。

②车站结构、出入口通道变形主要体现在结构的竖向位移。

③附属工程基坑开挖过程对既有结构影响较大，位移集中产生于此阶段，因此，开挖阶段是监测控制的关键。