［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。

 

      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］。

 

      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］。

 

      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］。

      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。

      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。

 

      该计算模型长 500m，宽 500m，高 100m，共计46 066个节点，48 618 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。

      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］。

 

      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考虑时间因素造成的。后建车站结构施工完成变形稳定后，可以通过调整轨道标高等措施保证先建车站的安全运营。

      3) 在进行后建车站施工时，采取紧邻运营车站围护结构进行深层钻孔灌注桩加固，基坑底部土体旋喷加固，基坑内部降水，盖挖逆作进行土体开挖及车站结构施工，信息化监测指导施工等措施，可以有效减小非对称开挖、凿除封堵墙等不利工况下运营车站结构的变形，工程最终取得成功，说明施工方法和技术措施得当。

 

［1］ 上海地铁建设公司，同济大学． 上海市地铁换乘枢纽及站域的空间综合开发利用模式研究［R］． 2000．

［2］ 朱顺应，郭志勇． 城市轨道交通规划与管理［M］． 南京: 东南大学出版社，2008．

［3］ 刘燕． 地铁换乘枢纽后建车站施工影响研究［D］． 上海: 同济大学，2007．

［4］ 郭海柱． 地铁换乘车站近接施工若干关键技术研究［D］． 上海: 同济大学，2009．

［5］ 仇文革． 地下工程近接施工力学原理与对策的研究［D］． 成都: 西南交通大学，2003．

［6］ 吴小将． 同站厅平行换乘地铁车站深基坑施工变形控制研究［D］． 上海: 同济大学，2006．

［7］ O Y Ezzeldine． Estimation of the surface displacement field due to construction of Cairo Metro Line El Khalafawy-St， Therese［J］． Tunnelling and underground Space Technology，1999，14( 3) : 267-279．

［8］ J S Sharmaa， A M Hefny， J Zhao， et al． Effect of large excavation on deformation of adjacent MRT tunnels ［ J］．Tunnelling and Underground Space Technology， 2001，16:

93-98．

［9］ Chi-Te Chang，Chieh-Wen Sun，S W Duann，et al． Tunnelling in Taiwan Response of a Taipei Rapid Transit System tunnel to adjacent excavation ［J］． Tunnelling and Underground Space Technology，2001，16: 151-158．

［10］ 杨其新，关宝树． 地下铁道话题［M］． 成都: 西南交通大学出版社，2007．

［11］ 朱沪生． 轨道交通网络化建设中大型换乘枢纽的探讨［J］． 都市快轨交通，2004，17( 5) : 1-5．

［12］ 李博，刘国彬，黄毅． 在已运营地铁车站超近距基坑开挖几个问题的探讨［J］． 施工技术，2007，36( S1) : 29-31．

［13］ 刘建航，侯学渊． 基坑工程手册［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，1997．

［14］ 张庆贺，朱合华，庄荣． 地铁与轻轨［M］． 北京: 人民交通出版社，2006．

［15］ 上海市市政工程管理局． SZ—2082—2000 上海地铁基坑工程施工规程［S］． 2000．

［16］ 孔祥鹏，刘国彬，廖少明． 明珠线二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站的影响［J］． 岩石力学与工程学报，2004，23( 5) : 821-825．