中铁二局集团勘测设计院有限责任公司 四川成都 610031
摘要：由于地铁线路的分期建设，续建工程施工对运营车站的影响不可避免。续建车站的施工对变形的控制要求严格，尤其是对运营结构的变形指标要进一步控制，以确保已建结构的安全和正常运营。本文以昆明地铁4号线联大街站换乘节点为背景，通过加固土体、优化支撑布置、回筑阶段采取工程措施等方法，通过数值模拟计算和工程监测分析，采取的工程措施满足基坑控制变形要求，具有重要的实际工程价值。
关键词：换乘节点；续建施工；运营结构；控制措施
0.引言
由于两条地铁线路经常不是同期建设，在地铁双线或多线交叉处建成高效的换乘枢纽车站时，不可避免地涉及到后期建设的车站对已运营车站的影响。在已建地铁车站的两侧或顶、底部从事一切工程活动，都是对它进行加载或卸载，必将引起车站结构、行车轨道的位移变化。后建车站的实施不同于一般车站的施工，不仅要确保自身基坑及周围建筑物、管线的安全，更要确保既有车站结构、行车轨道的安全和正常运营。
目前，基坑的设计过程中多考虑围护结构、支撑等的变形和内力等指标，或是基坑开挖对各种地下管线以及各种基坑的建（构）筑物的影响，而针对地铁车站换乘节点续建施工对既有运营结构影响中的控制措施研究较少。
为研究基坑开挖对既有车站和隧道的影响，国内外学者进行了较多研究。魏纲[1]从理论上分析了基坑开挖影响下方既有盾构隧道变形机制，并结合14个国内外基坑工程实例，提出了隧道最大隆起值的经验预测公式，同时以杭州市延安路某地下过街通道工程为背景，验证了理论分析和计算公式的可靠性。李瑛[2]等以杭州铁路东站西广场项目基坑工程为背景，研究了分层分块开挖、底板加筋垫层、土体加固等施工措施控制隧道隆起的有效性。信磊磊[3]等研究了两侧深基坑开挖对近邻地铁车站及隧道变形的影响分析，研究了非对称开挖时，施工步序对车站和隧道的影响。Schuster M，Kung GTC，Juang CH[4]等研究了基坑数值分析中土体本构模型的选择。但由于地下工程的复杂性、工程地质的差异性以及既有结构的多样性，对于地铁车站换乘节点处的续建施工研究还远远不够。
续建施工对变形的控制要求严格，在设计过程中如何进一步控制变形指标，减小续建施工过程中既有运营结构的变形，具有重要的实际工程价值。
1.工程背景
昆明地铁4号线联大街站位于联大路与彩云南路交叉路口地下，沿联大路东西向布置，与1号线已运营联大街站T型换乘，换乘节点已经施工完成，并且1号线联大街站已经载客运营。4号线联大街站为地下三层双柱三跨岛式站台车站，全长199.8m，公共区宽20.9m，站台宽12m，站台中心处顶板覆土约3.07m，底板埋深约23.45m。
图1-1 工程总平图及与已运营1号线联大街站位置关系
4号线联大街站于换乘节点两侧施工对既有运营线主体结构风险很大，初始风险等级为Ⅰ级，经采取一系列保护措施及风险评估的专家评审，其剩余风险等级为Ⅱ级。
2.工程水文地质
据钻探揭示，场区内分布新生代第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系全新统冲湖积层（Q4al+l）、上更新统冲湖积层（Q3al+l）和中更新统冲湖积层（Q2al+l）覆盖层，第四系覆盖土层厚度51.2～73m，局部勘探孔揭示寒武系下统沧浪铺组乌龙阱（ 1c）白云岩、页岩夹砂岩。
本工程场地范围无地表径流，勘探范围内埋藏分布有孔隙潜水、孔隙承压水及岩溶裂隙水。场地潜水位埋藏浅，勘察期间实测孔隙潜水位埋深一般在现地面下3～7.1m，相应标高1923.1～1927.2m，平均1927m。承压水水位4.3～5.3m（标高1924.26～1925.28m）。地下水位随季节变化有所起伏，雨季地下水位有所上升，旱季下降明显，水位年变幅1～3m。
3.对既有车站的监测措施
根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）规定城市轨道交通结构安全控制指标应包括：位移、变形、差异沉降、结构裂缝、相对收敛、变形曲率半径、管片接缝张开量、渗漏、附加荷载、振动速度、轨道横向高差、轨向高差、轨间距、道床脱落量等。具体检测项目参照表3.1。
表3.1 监测项目表
注：内部指城市轨道交通结构监测对象，外部指外部作业影响区域除城市轨道交通结构外的监测对象。
基坑施工监测报警值参照如下执行：一般情况下，水平、垂直位移大于5mm/日或累计大于20mm；管线大于2mm/日或累计大于10mm；坑外地下水位降达1m。监测运营地铁及基坑监测控制指标值按表3.2所示。
表3.2 监测运营地铁及基坑监测控制指标表
4.设计方案
根据工程特点、工程地质和水文地质条件和环境保护要求，基坑变形控制保护等级为特级。即基坑开挖期间，地面最大沉降量≤0.1%H，围护结构最大水平位移≤0.1%H，或≤30mm，两者取最小值，H为基坑开挖深度。考虑到1号线联大街站已开通运营，固对换乘节点处采用以下工程措施，保证已建节点的正常运营。
4.1地基处理措施
东侧基坑开挖前，对1号线换乘节点东侧土体进行加固处理，坑外加固范围深度由地面至坑底以下3m，宽度3m；坑内深度由第三道混凝土支撑底至坑底以下8m，宽度10m。均采用影响较小的三轴搅拌桩进行加固，桩体直径850mm，间距600mm，采用的水泥为强度不低于PO42.5级的普通硅酸盐水泥，实桩部分水泥掺量建议不小于20%，空搅部分水泥掺量建议不小于7%；加固桩体28天无侧限抗压强度qu应不小于1.0Mpa；渗透性系数不大于10-7cm/s。提升时不应在孔内产生负压造成周边土体的过大扰动，搅拌次数和搅拌时间应能保证水把土搅拌桩的成桩质量。
西侧暗挖段施工前，需对1号线换乘节点西侧土体进行加固处理，加固范围地面下11.8m至地面下24.9m，宽度27.94m，采用三重管高压旋喷桩进行加固，桩体直径1000mm，间距600mm，采用水泥强度不低于PO42.5级的普通硅酸盐水泥，水泥掺量不小于30%，水灰比0.7～1.0，加固桩体28天无侧限抗压强度qu应不小于1.2Mpa，渗透性系数不大于10-7cm/s，为提高高压旋喷桩成桩质量，需掺入外加剂以改善水泥浆液的稳定性与固结性，加固时需合理控制旋喷桩喷射压力，避免压力过大对运营线结构造成影响。由于此段存在南北走向的综合管廊，3.4m×5m箱型混凝土结构，考虑到高压旋喷桩对管廊下方土体加固范围的有效性，特采取地面深孔注浆补强加固，注浆后土体28天无侧限抗压强度qu应不小于1.2Mpa，渗透性系数不大于10-7cm/s，注浆加固需在高压旋喷加固完成且达到设计强度后进行。
4.2支撑布置措施
为减小1号线联大街站换乘节点西侧暗挖、东侧明挖因开挖方式差异所产生的不利影响，东侧明挖段临近1号线换乘节点处支撑现已布置为：第一道混凝土支撑撑在1号线联大街站冠梁与4号线联大街站冠梁之间（冠梁顶标高相同），距第二道支撑1290mm处（1号线换乘节点下一层板位置），于1号线联大街站地墙和4号线联大街站地墙之间设置1000x1200的混凝土腰梁，同时于腰梁上设置一道400mm厚混凝土板撑，距第三道支撑2300mm处（1号线换乘节点下二层板位置），于1号线联大街站地墙和4号线联大街站地墙之间设置1200x1500的混凝土腰梁，同时于腰梁上设置一道400mm厚混凝土板撑，其余各道支撑及倒撑均采用对撑的形式。
4.3回筑工况措施
由于4号线联大街站东侧基坑紧邻1号线联大街站换乘节点，为保护运营线路及车站结构的安全，于4号线联大街站结构与1号线联大街站换乘节点结构之间设置一道施工缝，并于4号线联大街站各层板与1号线联大街站地墙间设置临时型钢支撑，保持传力的稳定性；同时邻近1号线换乘节点10m范围内底板下垫层厚度增加至300mm，增强垫层处传力联系，待4号线联大街站结构达到设计强度后再与1号线联大街站结构进行连接。
5.数值分析结构及方案选定
5.1计算模型
采用PLAXIS-3D建立有限元三维模型进行模拟计算，以模拟原始地形地貌下的应力位移场、4号线联大街站基坑开挖等过程。工况模拟按照以下步骤进行，分别模拟各工况下的位移场和内力分布：
（1）运营1号线联大街站施工完成后在原始地形地貌下的初始应力场、位移场；
（2）1号线联大街站换乘节点东段明挖车站基坑分段开挖至坑底。
计算中土体弹塑性破坏准则采用的是D-P准则，此准则能较好的模拟岩体的力学特性，一方面克服了库伦准则在角点处导数不连续的问题，一方面易与库伦准则结合起来确定计算参数。
图5-2 车站结构范围
5.2计算参数选取
计算参数取用《昆明市轨道交通4号线工程详勘阶段联大街站岩土勘察报告（详勘）》中土体的物理力学参数。
表5.1 4号线联大街站基坑有限元计算土层力学参数表
根据经验，有限元分析时，土的弹性模量E取土的压缩模量ES的3～5倍，根据土的软硬进行取值。本分析对于粘性土，采用E=5Es进行计算。土层的泊松比采用如下取值范围：圆砾土0.15～0.2，砂土0.2～0.25，粉土0.23～0.31，粉质粘土0.25～0.35，粘土0.25～0.4。对于建构筑物物理力学参数计算值如下表：
表5.2 建构筑物物理力学参数计算值表
本次模拟建立三维有限元网格模型，土体采用实体单元，支撑、格构柱、桩基、主体结构梁柱采用梁单元，连续墙、主体结构墙板和暗挖隧道衬砌采用壳单元。土体开挖采用“杀死”单元功能来模拟，围护墙、内支撑、格构柱、桩基础和车站结构均采用“激活”单元功能来模拟。
6计算结果
图5-6 4号线车站基坑开挖至基底位移云图
图5-7 车站结构水平位移包络云图
图5-8 车站结构竖向位移包络云图
根据计算结果，已运营1号线联大街站车站结构因4号线车站基坑开挖引起的水平位移为4mm，竖向位移为6mm，均满足建筑物变形保护要求，可见4号线联大街站基坑开挖对换乘节点的影响在可控范围内。
7、运营车站监测方案
由于需监测的1号线联大街站已投入运营，因此采用自动化监测并辅以人工矫正。监测周期应从监测项目初始值开始，至外部作业完成且监测数据趋于稳定后结束。1号线联大街站结构内部竖向、水平位移、相对收敛、道床与轨道变位、结构断面尺寸、变形缝张开量、裂缝观察按照10m布置一个断面，邻近运营1号线换乘节点两侧基坑围护结构水平、竖向位移、围护墙测斜和坑外岩土体深层水平位移按照15m布置一个断面，坑外地下水水位监测按照15m布置一个水位监测孔。1号线联大街站内部结构监测频率为每3小时一次，基坑外部监测频率为每天一次，加强运营地铁和基坑的人工巡查。
8.结论与建议
通过本工程数值计算及工程监测数据表明：
1）换乘节点处由于续建工程施工引起的水平位移和竖向位移，满足建筑物变形保护要求，基坑设计采用的方案是安全可靠的；
2）换乘节点处开挖前，对土体进行加固处理，对后期开挖时减少对土体的扰动，控制土体位移效果明显；
3）换乘节点处，回筑阶段采取的工程措施对控制位移是有效的；
4）换乘节点开挖期间，加强对轨道变形的监测，及时调整轨道扣件，减少轨道两端变形差，保证运营安全。
参考文献：
[1]魏纲.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析[J].岩土力学，2013（5）：1421-1428.
[2]李瑛，陈金友，黄锡刚等.大面积卸荷对下卧地铁隧道影响的数值分析[J].岩土工程学报，2013（S2）：643-646.
[3]信磊磊，杜一鸣，郑刚.两侧深基坑开挖对近邻地铁车站及隧道变形影响的优化分析.铁路标准设计.2016（5），1004-2954（2016）05-0084-07.
[4]Schuster M，Kung GTC，Juang CH，et al.Simplified model for evaluating damage potential of buildings adjacent to braced excavation[J].Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering，2009，135（12）：1823-1835.
论文作者:罗静,雷贤波,付兴剑
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
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