李妙
中铁上海设计院集团有限公司 上海 200000
在城市化发展的过程中，越来越多的人口流向大城市，对大城市的交通状况产生了新的压力和考验[1-2]。随着我国城市化进程的加快，轨道交通得到了大力发展，已成为城市公共交通的重要组成部分。地铁作为轨道交通的一大部分，因其具有低能耗、占地少、运量大、少污染等特点，属绿色环保交通体系，符合我国可持续发展的原则，特别适应于大中城市。地铁的发展是一座城市融入国际大都市现代化交通的标志，是解决大都市交通紧张状况最理想的交通方式。近些年，各地地铁网络迅速铺开，换乘站数量不断增加，新建地铁线路临近、紧贴甚至穿越既有运营线路成为不可避免的问题[3]，新建车站在临近既有区间时近距离施工可能对既有区间的结构安全性及正常运营产生影响[4-5]。本文以实际新建工程为背景，建立二维仿真模型模拟新建车站基坑开挖过程，分析新建车站基坑施工时既有地铁盾构区间隧道结构的变形，并据此提出若干建议以供类似工程施工参考。
本项目为成都轨道交通10号线红牌楼站（以下称“新建车站”），与既有轨道交通3号线红牌楼站换乘，与3号线车站及红牌楼站～高升桥站区间（以下简称 “既有区间”）基本呈平行布置。新建车站为地下3层岛式车站，车站总长185m，标准段宽22.98～26.74m，标准段基坑深度约25.7m，端头井基坑深度约26.67m（小里程）/27.02m（大里程），围护结构采用钻孔灌注桩+2道砼支撑+2道钢支撑，桩直径及间距为φ1200@2000（风险源处加密至φ1200@1800），第一、三道砼支撑尺寸为800×800、800×1000，钢支撑采用φ609、t=16的空心钢管（以上尺寸未标注单位均为mm），采用明挖法施工。既有区间为盾构区间，内径5.4m，管片厚度0.3m，中心埋深约14.2m，左、右线线路中心线距离约16.1m，右线管片与新建车站基坑最近距离约9.7m。
图1 新建车站与既有线平面关系
2.1 工程地质条件
本工程土层从上往下依次为：杂填土、素填土、松散卵石土、稍密卵石土、中密卵石土、密实卵石土、强风化泥岩，底板主要位于密实卵石层。材料参数详见下表。
表1 土体材料参数
表2 结构材料参数
2.2 模型单元及材料
考虑到车站基坑为长条形分布，施工过程中其变形表现为向基坑内部的水平位移，本次计算建立二维模型进行分析。本次模拟主要考虑新建车站基坑开挖对既有区间的影响，结合本工程的实际情况，计算模型上边界取到地表，竖向取50m，沿车站横向取120m。建模时，地层采用平面应变单元，既有区间结构采用梁单元，混凝土支撑采用梁单元模拟，钢支撑及格构柱用桁架单元模拟，立柱桩采用梁单元模拟，围护桩采用刚度转换等效为钢筋混凝土墙，用梁单元进行模拟。混凝土及钢构件采用线弹性本构关系，土体采用修正莫尔-库伦本构关系。模型见下图所示。
图2 新建车站基坑开挖对既有区间影响的数值分析模型
2.3 约束条件
考虑周边土体对车站、基坑的包裹和支承作用，及周边土体本身的整体性，此次分析对模型底部土体约束其Y方向的位移，对两侧土体约束其法向X方向的水平位移。
2.4 荷载取值及分析工况
根据本工程的设计条件，在新建车站的基坑开挖过程中，主要考虑的荷载包括参与分析的各部分结构的自重及地层表面的超载，结构自重由软件自重加载，对地面超载按20KPa考虑，以均布荷载进行加载。
根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013），城市轨道交通区间结构的主要变形控制指标如下表所示：
表3 城市轨道交通区间结构主要安全控制指标值
根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911-2013），城市轨道交通既有线隧道结构的变形控制值如下：
表4 城市轨道交通既有线隧道结构变形控制值
综合上述规范规定，确定本工程既有线地铁区间的变形限值为：沉降10mm，水平位移5mm。
根据上述约束条件和荷载取值等信息，借助Midas Gts Nx软件建立新建车站基坑、既有区间及周边土体的数值分析模型，根据基坑开挖的工序依次对模型分阶段模拟计算，主要工序为：初始应力分析（位移清零）-围护桩、立柱桩及格构柱施工-开挖-第一道砼支撑架设-开挖-第二道钢支撑架设-开挖-第三道砼支撑架设-开挖-第四道钢支撑架设-开挖至基坑底。
根据分析结果，在新建车站开挖至基坑底，车站主体结构未施做时，土体出现一定程度的向基坑开挖临空面的位移，主要表现为坑底隆起及周边土体的沉降，引起既有区间结构发生一定变形。经计算，得到既有区间产生变形及位移如下图所示：
图3 基坑开挖中既有区间发生的最大水平位移（m）
图4 基坑开挖中既有区间发生的最竖向位移（m）
根据结构变形分布情况，新建车站基坑开挖对相邻既有区间产生了一定影响。基坑开挖后，既有区间水平、竖向均产生位移，且为向着基坑侧，水平最大值为左线4.4mm、右线4.6mm，最大竖向位移为左线1.1mm、右线3.6mm。分析其原因，主要是因为基坑开挖过程有土体卸载的作用，在开挖至坑底时，卸载达到最大程度，原土壤平衡的应力场受到破坏，土体应力重分布。
根据计算结果，区间最大位移小于变形限值，既有区间结构变形在结构安全储备范围内，即在基坑开挖时既有区间结构是安全的。但是，此工程基坑自身风险及周边风险都很大，需提前采取对基坑及既有区间的保护措施，如增加支护结构刚度，且在施工过程中应加强对基坑及既有区间的监测。
在既有地铁区间周边新建地铁车站，其基坑开挖对既有线有较为明显的影响，主要表现为基坑开挖过程中既有区间产生竖向位移及发生向着基坑的水平位移。通过新建车站基坑开挖过程的力学模拟影响分析，可以认为新建车站基坑开挖对既有地铁区间的影响是在安全范围内的，在采取针对措施的条件下，可以保证既有区间的安全。针对以上计算结果，对本工程的施工提出以下建议以减少基坑开挖对既有区间的影响，确保基坑开挖过程的安全性：①施工期间基坑外侧10m范围内严禁堆载，主体结构施工完成前，基坑周边地面超载不得大于20kPa，控制施工阶段地面的附加荷载，进而减少对基坑周边土体的扰动。②基坑沿纵向应分段开挖，横向分层开挖，以减小开挖过程中土体回弹量，进而减小基坑及周边土体的变形，也有利于减小既有区间产生的位移。③新建车站第三道支撑标高与既有区间基本持平，采用钢筋混凝土支撑，以减小既有区间的水平位移。④新建车站基坑及车站结构施工过程中，应加强基坑自身及既有线的监测，确保施工安全。
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