新建车站盖挖逆作法施工对既有车站的变形影响分析*

董发俊 胡安奎 张社荣 宋 冉 尚 超

(1.中国水利水电第十四工程局有限公司,650041,昆明; 2.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,300072,天津; 3.天津大学建筑工程学院,300072,天津∥第一作者，高级工程师)



新建车站盖挖逆作法施工对既有车站的变形影响分析*

董发俊1胡安奎2,3张社荣2,3宋 冉2,3尚 超2,3

(1.中国水利水电第十四工程局有限公司,650041,昆明; 2.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,300072,天津; 3.天津大学建筑工程学院,300072,天津∥第一作者，高级工程师)

以深圳市新建轨道交通7号线福民站工程为例,研究采用盖挖逆作法进行新建车站施工对既有4号线福民站结构变形的影响规律。通过三维数值模拟分析,揭示了既有4号线福民站受新建7号线福民站施工全过程影响的动态变形规律,为施工过程中既有车站结构变形发展预测和设计方案实时调整提供理论支撑；结合施工过程中实时动态监测资料,结果表明,数值模拟分析的既有车站沉降与实际监测成果吻合,也验证了盖挖逆作法施工的合理性,并为优化地层加固方案的决策提供了依据。

城市轨道交通; 新建车站; 盖挖逆作法施工; 既有车站变形; 数值模拟

First-author′s address Sinohydro Bureau 14 Co.,Ltd.,650041,Kunming,China

随着城市的可持续发展,城市轨道交通建设越来越受到建设规模、建设深度及修建环境等多方面因素的制约。大多数地铁工程建在城市繁华街区,周边建筑密集,由于受到场地限制,新建地铁线路的施工必然对既有结构及邻近地表建筑物产生影响[1-3]。所以,深基坑工程的设计往往不是由强度和稳定性控制,将深基坑施工过程中引起的周边既有结构或建筑物的扰动变形控制在合理的安全范围以内,即基坑在施工过程中既要保证其安全、稳定,又要保证其对周边环境不造成破坏性影响显得尤为重要。借助于计算机技术，采用科学的数值分析手段,为解决基坑开挖所产生的近接施工工程问题提供了技术支撑[4-6]。

文献[7]分析了基坑开挖过程中地表沉降规律及施工对邻近地下管线的扰动研究;文献[8]通过模型试验研究了车站及围护结构的变形及内力变化规律;文献[9]探究了刚性支护在软土深基坑开挖中的加固机理,并在此基础上研究了施工过程对地表建筑物沉降变形影响;文献[10]总结出影响基坑四周地表沉降的八大因素,包括基坑开挖尺寸、土体类别及力学参数等;文献[11]基于施工全过程针对不同部位的支护结构提出了相应的变形控制指标;文献[12]依托实际工程研究了邻近地表建筑物随基坑施工的变形规律并总结了相应的加固方法。

由此可知,为了避免工程事故的发生,不仅需要从设计、施工方法优化和现场监测等方面进行安全控制,还要基于对地铁施工全过程进行数值仿真分析以获得结构施工力学实时性态,预先掌控工程各阶段可能存在的危险因素,明确对周边既有结构或建筑物的安全性影响程度。本文将在对工程实际监测成果分析的基础上,以变形控制为基准,按照盖挖逆作法施工步序对深圳新建轨道交通7号线施工全过程进行数值模拟,论证新建车站施工对既有车站的影响程度,为优化决策地层加固方案提供依据。

1 工程概况

深圳市轨道交通7号线工程福民站西端与既有4号线福民站T型换乘,车站东端设置盾构接收井。车站全长204.53 m,标准段外包总宽21.1 m,采用盖挖逆作法施工,围护结构采用厚1 000 mm地下连续墙和钢筋混凝土支撑。本站为地下车站,共有三层。新建车站主体基坑及周边建筑关系见图1,车站主体北侧紧邻知本大厦和皇福裕苑,南侧紧贴福民佳园和时代星居;皇岗村站至福民站下穿隧道横剖示意见图2,下穿既有4号线福民站的7号线区间顶板采用“平顶直墙暗挖”工艺,紧贴4号线福民站底板;下穿的左右线隧道平行布置且均为矩形断面,隧道轴线与既有4号线福民站轴线呈75°夹角。

图2 新建7号线皇岗村站至福民站下穿隧道横剖示意图

2 盖挖逆作法施工

为尽可能地减小施工对环境的影响、确保施工过程安全有序进行,深圳轨道交通7号线福民站采用盖挖逆作法进行施工。施工预留出土洞来运输土方和器材。在地面施工阶段,施工对地面交通、市民生活以及地下管道等有干扰,应快速而妥善地完成。顶板、围护墙、柱是施工期间以及运营期间主体结构的一部分;施工中完成的楼板是施工阶段帮助侧墙维持稳定以及运营期间整体结构的组成部分,当侧墙有稳定需要时,楼板上方和下方需加临时水平撑;底板是完成整个主体结构的最后组成部分,是实现结构闭合的重要环节,对保证车站盖挖逆作施工安全、稳定有重要意义。具体施工过程见图3。

3 三维有限元数值模拟分析

3.1 岩土力学参数

根据《福民站初勘阶段岩土一般物理力学指标设计参数建议值表》,主要地层岩性物理力学参数取值见表1。

表1 土体物理力学参数

3.2 数值模型的建立

采用大型有限元计算软件ABAQUS建立三维数值模拟模型。假定工程条件及仿真方法如下:① 工程区域内地势平坦,且不同土体间分界线为水平线;② 采用各向同性理想弹塑性模型来模拟各层土体,且满足Mohr-Coulomb屈服准则,岩土体、混凝土材料采用C3D8R实体应力/位移单元,锚杆采用T3D2杆单元,格构柱、钢支撑及钢管采用B31梁单元;③ 采用生死单元技术模拟施工中的土体开挖、临时支护拆除及永久支护施作等过程;④ 计算中未考虑土体固结引起的长期沉降及土中地下水位的变化;⑤ 地下连续墙等围护结构力学参数不随土体不同及埋深变化而变化,且摩擦接触系数只因土体不同而异,但不随埋深变化;⑥ 下穿左右线隧道采取CRD (中隔壁加台阶)法进行施工,分步开挖土体,成环杀死掌子面前方土体单元;⑦ 采用场变量技术更新岩土体的物理力学参数以模拟注浆、施作旋喷桩等措施对土体力学性能的改进效果。

有限元计算模型如图4所示,沿新建7号线纵向长250 m,横向延伸长度340 m,高60 m。模型共174 890个单元,143 993个节点。地基的下表面施加全约束边界条件,四周表面均为法向约束边界条件。

4 现场监测及数值模拟结果分析

4.1 既有车站监测结果分析

4.1.1 监测点布置

新建7号线福民站车站西侧紧邻既有4号线福民站,4号线福民站站厅层顶板共布置有16组结构物沉降监测点,监测频率为1次/周，监测点布置见图5。

图4 三维数值几何模型

图5 既有福民站地下一层顶板监测点布置图

4.1.2 既有车站主体结构变形控制指标

在新建福民站下穿既有福民站施工过程中,在既有线不限速的情况下,既有福民站主体结构竖向位移控制标准见表2。

表2 既有车站结构竖向位移控制指标

4.1.3 监测结果分析

选取既有车站地下一层顶板靠近新建车站基坑开挖处的4个点Jc-3、Jc-4、Jc-12和Jc-13作为典型监测点；选取新建车站基坑开挖周边的4个点Jc-1、Jc-6、Jc-9和Jc-15作为典型监测点。图6给出了既有车站地下一层顶板选取的8个典型监测点从2014年1月到2014年12月的竖向位移曲线,包含从临时立柱、地下连续墙等支撑结构到基坑开挖,以及混凝土永久柱浇筑的整个过程中的变形过程。

图6 既有福民站顶板监测点竖向变形过程

由图6可知:① 新建车站主体覆土层开挖过程中,各监测点的竖向变形由于开挖土体卸荷大多表现为回弹,最大回弹值近1 mm,位置靠近基坑开挖处;② 2014年6月开始进行新建车站主体地下一层开挖,各测点竖向变形表现为明显下沉,最大累积下沉量约-2.8 mm,且之后地下二、三层开挖过程中顶板沉降量逐渐减小且趋于稳定,最大沉降量仅为0.5 mm;③ 从地下一层顶板竖向位移的空间分布来看,各测点变形普遍较小,而变形相对较大的点均位于靠近基坑开挖一侧的顶板边缘处,符合工程实际,其位移也不大于3 mm,满足表2的控制标准。根据监测资料,认为7号线福民站基坑施工对4号线福民站影响较小,能够保证既有车站的安全与稳定。

4.2 数值模拟结果分析

图7和图8分别为既有4号线福民站主体结构随新建7号线福民站主体基坑开挖全过程的水平位移与竖向位移云图。由图7、图8可知:① 在既有车站板结构靠近基坑的中部区域,结构自身产生向基坑施工方向的水平向位移,这是由于施工引起的土体卸荷效应导致既有车站主体结构受力平衡状态受到破坏,继而引起变形;② 随着后续新建车站主体施工,既有车站主体结构水平向位移逐渐减小,且最大水平位移由原来的靠近基坑开挖侧逐渐远离基坑边缘,量值也依次减小;③ 新建福民站基坑开挖过程中,既有福民站顶板、中板和底板的竖向变形过程较为复杂,覆土层开挖过程中地下一层顶板主要表现为回弹变形,随着新建车站继续向下开挖,顶板变形逐渐以沉降为主,究其原因,主要是盖挖逆作法施工过程相对复杂,开挖和回填并存;④ 既有车站各层板竖向变形规律相似且符合一般规律,其量值大于水平位移,并呈明显的带状分布。靠近基坑开挖一侧区域板的竖向变形较大,逐次向四周扩展、传递,但因既有车站自身结构刚度较大,最终导致既有车站结构向新建车站基坑施工方向倾斜,在远离基坑侧的边角区域既有车站板结构存在一定隆起现象。

图7 新建车站施工阶段既有车站水平位移云图

图8 新建车站施工阶段既有车站竖向位移云图

图9为既有车站地下一层顶板(选取Jc-13、Jc-12、Jc-3及Jc-4四个典型测点)竖向位移随施工步变化曲线。由图9可知，靠近主体基坑开挖边缘一侧变形最大,在围护结构施工过程中表现出一定的回弹,自开挖顶部覆土层后,其变形开始为沉降,且沉降速率较大。在新建车站地下一层开挖之后,施工所引起的既有车站变形以沉降为主,但沉降变形速率趋缓。远离坑周测点变形规律与靠近基坑处测点基本一致,但量值及变化幅度远小于靠近基坑处测点。随着新建车站盖挖逆作法的施工,地下一层开挖完成后既有车站的沉降量占总沉降量的75%以上,由此说明盖挖逆作法施工起到了良好的效果,顶板作为支撑结构有效减小了土体卸荷对既有4号线福民站的影响,起到了很好的保护作用。

图9 既有车站地下一层顶板典型测点竖向位移随施工步变化曲线

4.3 现场监测及数值模拟结果对比分析

图10为新建站施工阶段既有站顶板位移现场监测值与数值模拟值对比曲线(选取典型测点Jc-13及Jc-3)。由图10可以看出:① 随着新建车站盖挖逆作法施工,既有车站沉降变形逐渐增大直至趋于稳定。且受基坑开挖的影响，当新建车站开挖至负一层顶板，即-6 m时,沉降已达到最终累计沉降的一半以上,但开挖深度还未达到总挖深的30%。② 现场监测结果与数值模拟结果吻合，由此验证了数值模型的建立及模拟方法均是合理的,且数值模拟结果能够直观准确地描述基坑施工全过程中既有车站结构的变形规律。③ 因工程实际常受到人为、施工机械、水文气象、时间效应等不可控因素的影响,且监测仪器的埋设时间及测量精度也难以衡量,故数值分析难以考虑周全,致使现场监测结果与数值分析结果存在偏差,但仍在合理范围内。④ 在当前施工方案下,由新建车站基坑施工引起的既有车站各层楼板变形均较小,在新建车站主体基坑开挖完成后，既有站地下三层底板沉降值不足3.0 mm;在覆土层开挖后既有车站地下一层顶板近新建车站处回弹值达到最大值0.68 mm,整个施工过程中的沉降变形和回弹变形均不超过控制值(±10 mm)。由此验证了当前施工方案的可行性及盖挖逆作法施工的合理性。

图10 新建车站施工阶段既有车站顶板位移现场监测值与数值模拟值对比曲线

5 结论

(1) 建立了弹塑性有限元模型,运用ABAQUS有限元软件对新建车站及隧道施工数值模拟引起的既有车站变形进行了三维有限元数值模拟,数值模拟的既有车站最大沉降量在3.80～4.43 mm,说明新建7号线福民站采用盖挖逆作法施工对既有4号线福民站影响较小,能够保证既有车站的安全与稳定。

(2) 对既有4号线福民站地下一层顶板沉降的现场监测结果表明，既有车站主体结构的最大沉降量发生在新建车站地下一层顶板施作阶段,其沉降量占到总沉降量的一半以上。由此可知,采用盖挖逆作法施工起到了良好的效果；顶板作为支撑结构有效减小了土体卸荷对既有4号线福民站的影响,起到了很好的保护作用。

(3) 数值模拟结果与现场监测结果对比分析表明，二者结果吻合度高,且变化趋势一致,说明数值模型的建立及模拟方法均是合理的,且数值模拟结果能够直观准确地描述基坑施工全过程中既有结构变形规律,可为类似基坑开挖数值模拟提供技术支持。

(4) 盖挖逆作法在新建7号线福民站施工过程中体现了减小基坑开挖对邻近建筑物影响的优势,且预测了既有车站主体结构变形逐步稳定,故可不再对新、老车站交界处地层作进一步加固即可有效地控制既有车站结构的变形。

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Influenc of Newly Built Metro Station with Up-down Construction Method on the Displacement of Existing Stations

DONG Fajun, HU Ankui, ZHANG Sherong, SONG Ran, SHANG Chao

Taking the newly constructed Shenzhen metro Line 7 as an example,the influence of newly built metro station with up-down construction method on the displacement of the existing Fumin Station on Line 4 is studied.Then,by using a 3D finite element numerical simulation,the dynamic deformation law of Fumin Station on Line 4 during the construction of Fumin Station on Line 7 is described,to provide theoretical support for the prediction of station deformation and the adjustment of design schemes.Combined with the monitoring data,the simulation result shows that the settlement of metro station is in coincident with the collected data,and the validity of the up-down construction method is verified.This research provides a basis for the policy decision on the optimization of strata reinforcement scheme.

urban rail transit; newly built station; up-down construction method; existing station displacement; numerical analysis

*国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51321065)

TU433.6

10.16037/j.1007-869x.2017.06.026

2015-06-24)