地铁换乘站近接施工监测与数值模拟分析

专业知识分享版使命：加速中国职业化进程联系电话摘要］以上海市轨道交通8号线、10号线，四平路与大连路换乘车站为背景，采用有限元数值模拟方法对施工关键工况进行预测分析，对运营车站换乘段轨道板、结构变形等进行全程监测，并将两者进行对比分析，总结出在非对称开挖、局部盖挖逆作、凿除封堵墙等关键工况下运营车站关键部位变形规律和安全保护措施。结果表明，近接运营车站施工导致换乘段轨道板出现上浮变形，换乘段结构柱向上变形量大于车站两端部位结构柱，换乘段围护墙上浮变形大于车站两端部位，结论可为同类工程提供借鉴。［关键词］隧道工程;地铁;换乘车站;近接施工;监测;数值模拟当前在我国大城市轨道交通路网规划和建设中，新建线路穿越既有线路车站、预留换乘节点、改扩建已有车站等是不可避免的［1-2］。换乘车站常处于城市繁华地段，具有一次设计分期施工的特点，且施工工序繁多，涉及紧邻运营车站基坑开挖变形控制、运营车站监控保护、新老结构连接等技术难题［3-4］。新建车站及附属结构施工会改变既有车站结构的受力状态，出现非对称加载或卸载、局部基础支撑变位、传力路线及结构受力模式变化等，研究换乘站近接施工相互影响规律，寻求安全、合理、经济的计算方法和施工方法等成为重要的课题［5-10］。本文以实际工程为例，对非对称开挖、凿除封堵墙等关键工况下运营车站关键部位进行监测和数值模拟分析，总结出“十”字换乘车站近接施工关键部位变形规律和安全保护控制措施。1工程概况上海市轨道交通8号线四平路车站标准段为地下2层双柱3跨结构，岛式站台，中间十字换乘段为地下3层结构。10号线大连路车站以及下立交道路沿四平路方向，与8号线四平路站成“十”字相交换乘，下立交及10号线车站上下叠放，中心重合，位于四平路规划道路路中。大连路车站地下1层为下立交车道及车站公共站厅层，地下2层为8号线站台，地下3层为10号线站台。该车站位于市区地面交通枢纽，周边环境复杂，受道路、地下管线、施工场地等因素制约，对施工环境要求较高。8号线四平路车站先建并运营，10号线大连路车站后建，涉及换乘段南北两侧基坑开挖(开挖深度24m、宽度30m、南区长87.9m、北区长68.6m)、地下封堵墙凿除、换乘段地下1，3层结构打通等关键工序。该换乘车站整体平面如图1所示。由于受施工工期、管线搬迁、道路翻交、交通组织等限制，在10号线大连路车站基坑开挖时，采取非对称方式进行施工，即先开挖北区基坑，开挖至地下3层，再进行南区基坑开挖。在基坑开挖过程中，8号线四平路运营车站两侧形成非对称土压力荷载［11］，对已运营车站及轨道等造成不利影响，如图2所示。10号线南北两侧基坑开挖结束，先进行车站结构施工，后凿除8号线运营车站两侧的地下封堵墙。如图3所示，凿除地下1层的封堵墙，使四平路下立交贯通;凿除地下3层封堵墙，使10号线站台层贯通，地下2层封堵墙保留。在凿除过程中，换乘段顶板部分失去两边侧墙支撑，将使已运营8号线车站结构产生附加次应力、轨道出现过大差异沉降等不利情况［12］。2监测布置方案监测内容如下:①运营车站围护墙垂直变形自动化监测(采用静力水准仪);②轨道板垂直、水平位移监测，站厅、站台结构柱垂直位移监测，出入口垂直位移监测［13］。监测范围:上、下行线轨道与基坑在平面投影位置自换乘段向两侧延伸各96m(4倍开挖深度)，总监测范围为上、下行线轨道各约226m。各测点具体位置如图4所示。运营车站围护墙垂直位移自动化变形监测:在上行线布设16个监测点(换乘段投影范围内点距5m，2倍开挖深度延伸范围内点距10m，下同)，编号SLG1～SLG16;在下行线布设16个监测点，编号XLG1～XLG16。人工监测:轨道板垂直、水平位移监测;在上行线布设26个垂直、水平位移测点(换乘段投影范围内点距5m，3倍开挖深度延伸范围内点距10m，下同)，编号SX1～SX26;在下行线布设26个垂直、水平位移测点，编号XX1～XX26。站厅、站台立柱垂直位移监测:在运营车站站厅每根结构柱旁布设1个监测点，共布设25个监测点，编号为ZT1～ZT25;在站台层每根结构柱旁布设1个监测点，共布设28个监测点，编号为ZD1～ZD28。根据上海市地铁保护区施工的有关规定，地铁车站、隧道结构变形的监测警戒值为:地铁结构绝对沉降量及水平位移量≥5mm，地铁结构沉降及水平位移日变化量≥0.5mm。监测频率:围护墙施工，1次/2～3d;基坑开挖至底板完成，1次/d;底板完成至结构施工到±0.000，1次/3d;监测频率可根据数据变化情况作调整，当测量数据报警或有突变时应加密测试频率［13-15］。3监测分析3.1轨道板变形监测分析(见图5)从图5在10号线南北两侧基坑开挖施工阶段轨道板变形曲线可以看出:①上行线向上最大垂直位移18.9mm，发生在换乘段中间，向下最大垂直位移21.1mm，发生在西侧端头井附近;下行线向上最大垂直位移19.3mm，发生在换乘段中间，向下最大垂直位移20.9mm，发生在西侧端头井附近，可见上下行线垂直位移基本相同;②上、下行线水平变形较小，均在5mm以内;③换乘段范围内轨道板竖向变形比两端大，说明换乘段轨道板受近接施工影响比两端大;④换乘段范围内轨道板变形较为均匀，说明换乘段轨道板结构刚度较大，呈现整体变形趋势［16］。3.2已建车站站台结构柱变形监测分析(见图6)上行线换乘段部位结构柱编号为6～9，下行线换乘段部位结构柱编号为20～23，从图6站台层28根结构柱的竖向变形曲线可以看出:①随着两侧基坑的开挖，站台结构柱竖向变形在增大，上行线以站台柱8的竖向变形最大，最大值为12.96mm，下行线以站台柱21的竖向变形最大，最大值为11.78mm;②距离换乘段越近的站台柱竖向变形较大，车站两端最小，说明运营车站换乘段部位结构柱受近接施工影响较车站两端大。这是由于深基坑开挖卸载，坑底上浮带动上部结构上浮，距离越近，影响越大。3.3围护墙变形监测分析从图7运营车站换乘段内部围护墙施工阶段竖向变形可以看出:①上行线围护墙最大上浮值为10.7mm，下行线围护墙最大上浮值为10.8mm，围护墙换乘段部位上浮量大于车站两侧部位，与轨道板变形规律一致;②换乘段车站内部围护墙受后建车站围护结构约束，南北两侧基坑开挖过程中后建围护结构上浮带动相交部位围护墙上浮，所以出现换乘段围护墙相交部位上浮大于内侧和车站两端，围护墙在换乘段中间部位上浮较为均匀。4有限元计算分析4.1有限元模型该计算模型长500m，宽500m，高100m，共计46066个节点，48618个单元，网格剖分如图8所示。采用梁单元按弹性模拟钢支撑、混凝土支撑、结构柱，采用壳单元按弹性模拟下立交各板、两个车站结构板、地下连续墙，采用实体单元按横观各向同性弹塑性来模拟土体单元。地面超载取20kN/m2，车站站厅层活荷载取均布荷载4kN/m2，站台层活荷载取均布荷载8kN/m2。土体本构关系采用横观各向同性弹塑性模型，采用Drucker-Prager屈服破坏准则和相关联流动法则，利用ABAQUS有限元软件进行模拟计算［4］，计算参数如表1所示。4.2与有限元计算结果对比分析按照施工过程进行模拟计算，重点研究基坑非对称开挖结束后换乘段轨道板的变形情况，并与实测数据进行对比分析，详细计算过程及分析见参考文献［4］。从图9基坑开挖结束后上下行线换乘段轨道板变形计算值与实测值对比曲线可以看出:①上下行线轨道板的变形规律计算值与实测值较为一致;②计算值比1月10日监测值(北侧基坑开挖结束)大约8%～15%，比4月22日监测值(南侧基坑开挖结束)小约20%，这是由于采取的计算模型未考虑软土地区基坑施工的时间效应造成的［4］。5结语1)采用静力水准自动监测和人工监测相结合，可以有效量测到运营车站轨道板、墙体、柱等的变形。换乘段轨道板上浮变形大于车站两端，水平变形较小;换乘段结构柱上浮变形大于其他部位结构柱;换乘段围护墙竖向变形大于车站两端墙体，说明换乘段结构刚度较大，呈现整体变形的规律。上述变形规律主要是由软土地区深基坑开挖卸载、坑底上浮带动上部结构变形造成的。2)有限元计算轨道板竖向变形规律与现场实测较为一致，最终监测值比计算值大约20%，这是所采用的计算模型未