换乘通道开挖对既有地铁结构及轨道的影响分析

张 君

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

地铁已成为城市主要的地下交通方式，随着人们对出行需求的增加，地铁的换乘站也是越来越多。如何在存在既有地铁的情况下，安全地开挖新的换乘站引起人们的关注。近年来，许多学者对此类问题进行了深入研究，取得不少的成果。应宏伟等[1]考虑隧道埋深效应，引入了修正基床反力系数，进而简化了既有隧道的模型，在此基础上建立既有隧道临近基坑开挖模型，结果表明隧道与基坑平行工况下的隧道最大位移比垂直工况下的隧道最大位移大。张默爆等[2]通过理论计算、试验研究及数值模拟，总结了国内外有关隧道模型的研究成果，提出了既有隧道对土体应力重分布与土体—隧道接触形态变化的影响。苏建丰等[3]分析了暗挖换乘车站的施工技术，详细阐明了施工流程和施工过程中的关键技术，采用数值模拟计算与现场实测资料相结合的方法，确定最佳支护形式及开挖方案。张梓升[4]等利用离散元软件对地铁盾构的施工过程进行了分析，研究了不同因素对盾构施工开挖面稳定的影响。

上述既有研究多以整体结果分析为主，鲜有考虑各阶段不同工况，本文在这些研究的基础上对隧道开挖分阶段研究，然后进行横向、纵向结果对比，研究既有结构变形规律。

1 工程概况

本文研究的工程背景是在既有地铁宣武门站的基础上，新增换乘通道。换乘通道开挖的地址位于两街道的交叉路口处，并且此站是重要的地铁中转枢纽，连接着繁忙的2号线和繁忙的4号线，两条线路在宣武门站呈“十”字形相交，在此处的西北处新建换乘通道。换乘通道周围的既有结构包括车站主体、西北出入口和换乘出入口。其中车站主体结构为单层三跨拱顶直墙断面结构，宽20.7 m，高7.95 m。车站主体结构顶板与换乘通道顶板标高相同，走向与换乘通道走向平行，水平净距 5.4 m。主体结构的二衬结构顶板厚700 mm、底板厚1 200 mm、侧墙厚700 mm，中柱直径为800 mm管柱，边跨跨度6 750 mm，中跨的跨度6 400 mm，结构净高12 800 mm。4 号线西北出入口通道高5.3 m，宽6.8 m，西北出入口通道与换乘通道结构底板标高相同，走向与换乘通道走向垂直；换乘出入口通道高 5.4 m，宽5.0 m。西北出入口通道与换乘通道的水平净距约 0.5 m，换乘出入口通道与换乘通道的水平净距约 0.8 m。其中西北出入口处分两次爬升到地面，西北出入口标准断面为单跨马蹄形断面，二衬顶厚500 mm，底板厚650 mm，侧墙500 mm，结构净跨5 100 mm、净高4 950 mm；爬升段为单跨矩形断面+U型槽断面，二衬顶板厚500 mm，底板厚500 mm，侧墙500 mm，结构净跨6 800 mm、净高1 950～6 450 mm。既有结构洞壁周边均采用混凝土喷浆衬砌支护，衬砌混凝土强度等级为C40，衬砌厚度为0.8 m。换乘通道与既有结构的位置关系如图 1、图 2 所示。换乘通道开挖需要先开挖竖井，西北施工竖井井孔尺寸6 600 mm×4 500 mm，井深20.1 m，采用倒挂井壁法施工，竖井与4号线宣武门站西北风道的净距约8.0 m，与4号线宣武门站西北出入口的净距约5.5 m，与西侧一层住宅的净距约5.8 m，如图3所示。

图1 换乘通道与周边结构平面关系

图2 邻近结构位置(单位：m)

图3 西北施工竖井临近4号线平面关系

2 施工措施及安全控制标准

2.1 施工措施

(1)在施工前对既有 4 号线车站的主体结构进行勘察，并进行检测和评价。

(2)本次工程主要工法为暗挖工法，需要密切注意凿除时结构周围墙体的裂缝状况，在施工当中应该重点检测接口处的墙体，若发现有裂缝应及时修补与加固，以保证接口处既有结构的安全。

(3)本工程以暗挖工法为主，施工过程中必须严格控制开挖循环进尺。在特殊情况下，应适当缩短开挖进尺，并适当减小钢格板间距。

(4)新建工程距离地铁区间较近，应严格控制开挖断面保证开挖精度，避免破坏地铁结构，注浆过程应严格控制注浆压力，避免渗漏至地铁内。

(5)完成初期支护后应及时进行灌浆，填土之间应留有空隙，加固附近的土层，减少隧道开挖对地面和周围建筑物的影响。

2.2 控制标准

由于地铁4号线是运营中的线路，为确保在施工条件下现有线路的正常运行安全，主线轨道的静态几何尺寸偏差管理值应符合《北京市地铁运营有限公司企业标准技术标准工务维修规则》(QB(J)/BDY(A)XL003-2009)相关要求, 既有地铁附属结构(风道及出入口、换乘通道)和既有地铁附属结构(西北出入口)竖井及横通道施工应考虑《线路检查作业工作指引》(京港地铁WI-OP-PW-001)相关的变形控制要求以及地铁行车轨道自身振动的影响，并考虑承载能力极限状态允许变形值、正常使用极限状态允许变形值和预测变形值，在此基础上给予一定的安全系数。根据以上结论和项目的实际特点，综合运行安全要求和变形预测结果，确定变形控制值：

(1)既有地铁附属结构(风道及出入口、换乘通道)最终竖向变形和横向变形控制值为3.0 mm。

(2)既有地铁附属结构(西北出入口)竖井及横通道施工竖向和横向分阶段累计变形控制值为1.0 mm。暗挖换乘厅施工的竖向和横向分阶段累计变形控制值为3.0 mm。

(3)既有地铁车站及区间车站主体及区间隧道及轨道结构竖向变形和横向变形的控制值为2.0 mm。变形缝两侧差异沉降控制值为1.0 mm。

3 既有地铁结构数值分析

3.1 计算参数

根据该工程的工程地质资料，并结合相关工程的既有资料[5]，可知本段区域内既有地铁结构的轨道结构材料采用U71Mn，道床为中心排水沟整体道床，工程场地的地层可分为粉土填土、黏质粉土、粉细砂、细中砂、砂质粉土、卵石圆砾。各地层物理力学性质如表1所示。土层选用D-P随机损伤本构模型。在ANSYS中采用实体单元Solid45模拟土层和既有地铁结构。

表1 材料参数

3.2 有限元模型

笔者用ANSYS有限元软件对换乘隧道开挖过程进行模拟。该模型长为100 m，宽为80 m，高为40 m，地表至既有地铁结构拱顶埋深为7.7 m。换乘通道距模型左侧边界为45.85 m，高8.9 m，宽14.9 m。洞壁周边采用混凝土喷浆衬砌支护，衬砌混凝土强度等级为C40，衬砌厚度为0.5 m。在模型中应该对两侧的水平边界进行约束，然后再对底部边界竖直和水平方向位移进行约束，上表面看成自由边界，不对其约束。计算模型如图4和图5所示。换乘隧道的施工分为三个部分：步骤一，开挖竖井；步骤二，自西向东开挖竖井通道；步骤三，开挖换乘通道。考虑到既有地铁结构及其附属结构的形变与其受换乘隧道开挖的影响关系[6-7]，在计算时既有地铁结构及其附属结构仅考虑正常使用工况，不考虑其他工况。土体为各向同性的理想状态，不考虑工程范围内地下水的影响。考虑换乘隧道、既有地铁4号线车站、出入口及区间结构与土体之间符合变形协调原则。计算时荷载考虑既有结构自重、土体竖向自重和地面超载20 kPa。

图4 三维网格模型

图5 施工步骤

3.3 结果分析

根据上述的施工过程，模拟计算得到既有地铁出入口及换乘通道竖向和横向变形图，如图6～图8所示，图中A点和C点为西北出入口通道邻近竖井处侧墙西，B点为西北出入口通道邻近换乘通道的顶面，D点和E点为西北出入口通道邻近换乘通道侧墙。首先当进行竖井开挖时,土体的挤压使得A点的竖向变形最大，达到0.576 mm。由于土体卸载导致基底土体回弹，影响了地铁结构其他部位的变形和受力，如图6(a)所示。接着自西向东开挖竖井通道，使得地铁结构的受力发生了变化，原来的A点的范围变小了，其他部位的竖向变形都有增加,如图7(a)所示。最后开挖换乘通道，其变形主要来自换乘通道上部岩体，其中B点的变形最大,如图8(a)所示。新建换乘通道的施工紧贴既有地铁结构，其施工将改变周边一定范围内土体应力状态，导致影响区内地层产生附加变形，进而对既有地铁结构产生影响。随着换乘通道的开挖进行到不同的工序时，地铁结构的横向变形也相应改变。首先当进行竖井开挖时，C点的横向位移最大为0.157 mm；接着自西向东开挖竖井通道，使得C点的最大横向位移逐渐过渡到D点，为0.463 mm；最后开挖换乘通道，围岩产生指向开挖区的位移，最大横向变形发生在E点。

图6 步骤一既有地铁结构变形云图

图7 步骤二既有地铁结构变形云图

图8 步骤三既有地铁结构变形云图

根据上述既有结构竖向变形和横向变形计算结果，选取图9中A、B、C、E四个控制点，利用有限元ANSYS软件对换乘通道开挖后控制点位移进行分析，计算点的位移时程曲线如图9所示。分析如下：既有地铁结构A点竖向变形达到1.447 mm逐渐平稳并达到稳定，B点竖向变形达到1.927 mm逐渐平稳并达到稳定。A点和B点的竖向变形均小于控制值。既有地铁结构C点横向变形达到0.209 mm逐渐平稳并达到稳定，E点横向变形达到2.404 mm逐渐平稳并达到稳定。C点和E点的横向变形均小于控制值。根据数值模拟计算出的数据和变形控制值，不难看出新建换乘隧道开挖对地铁结构及区间产生一定影响，变形值在允许范围之内。

图9 既有地铁结构变形时程曲线

4 既有轨道监测

受本工程影响的地铁 4 号线宣武门站为直线，车站线路纵坡为 2‰。本段区域内地铁轨道结构采用的是60 kg/m 钢轨、U71Mn，1 435 mm 标准轨距，无缝线路，道床为中心排水沟整体道床，工程影响范围内K7+738.206—K7+869.188 扣件型号为DTVI2 型、K7+869.188—K8+116.456 扣件型号为W弹条扣件，扣件无调高，如图10所示。

图10 扣件现场

根据轨道监测数据可知，新建工程施工后，区间轨道结构的最大竖向变形值为1.22 mm，轨道结构的最大横向变形值为1.0 mm，变形值在允许范围之内，满足风险等级要求。由于既有地铁是运营中的， 一旦发现轨道变形超标，按无缝线路的维护作业标准进行维护，尽快进行调整，确保几何形位达标，避免扣件失效，从而保证地铁安全运营。在对轨道和道床进行几何形位管理的同时，也要对接触轨按照正确的线路位置调整水平、方向及接触轨护板。当发现道床开裂或剥离程度较轻时可暂不采取措施，但应严密监测，当裂缝发展到一定程度时，采用注浆加固等方式对裂缝进行填充。

5 结论

(1)换乘通道开挖对既有结构竖向变形影响较小，既有结构的最大竖向变形值为1.927 mm，上浮，位置为邻近既有结构B点，竖向变形值在允许范围之内，满足风险等级要求。

(2)换乘通道开挖对既有结构横向变形影响较大，既有结构的最大横向变形值为2.404 mm，邻近既有结构侧墙E点，变形值在允许范围之内，满足风险等级要求。

(3)由于既有结构横向变形较大，施工过程中需对既有地铁结构加固，以保证更加安全。其主要措施是对既有地铁结构进行修整，包括裂缝处理、道床和结构脱离的整治等等，以提高既有地铁既有结构的承受能力。对于受新建地铁施工影响较大的区域，采用注浆支护的措施，可以有效减小换乘通道开挖对既有结构的影响。

(4)换乘通道开挖对既有地铁的轨道的影响较小，最大竖向变形值为1.22 mm，最大横向变形值为1.0 mm，变形值在允许范围之内，满足风险等级要求。