十字斜交換乘車站基坑優化方案對比

仲志武

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

0 引 言

隨著城市地鐵路網的快速發展和加密建設，地鐵線路上下交錯的情況不斷增多，換乘節點也越來越多。例如正在建設的天津地鐵7號線，共有地鐵站21個，設置11處換乘車站，換乘車站數量達到了車站總數的一半以上。中國以往的地鐵建設對換乘車站的建設重視不夠，影響了城市交通綜合效益的發揮。隨著城市軌道交通規劃越來越合理，越來越超前，地鐵換乘車站也越來越多。地鐵換乘車站施工往往要根據遠期規劃為其他線路預留接口，由于線路地面環境和地形不同，縱向不斷加深，相交角度越來越多樣化，基坑形狀越來越復雜，施工難度也越來越大。此外，換乘車站基坑自身變形及滲漏等風險較高，對周邊環境的潛在影響也較大。

地鐵換乘車站基坑常用的施工方法有明挖順筑法、暗挖逆作法、復合蓋挖法等[1-6]。換乘車站的施工問題有不少學者從不同角度展開了研究。雷蒙[7]以成都地鐵騾馬市站換乘節點的施工為例，研究了開挖對既有結構變形、應力、沉降的影響。王懷東等[8]以南京地鐵上海路換乘車站為例，研究了采用無覆土下穿運營地鐵站技術的風險管控措施。高太平等[9]以北京地鐵19號線新宮站基坑工程為例，分析了狹長基坑開挖施工過程中的陽角效應。張光建等[10]以杭州地鐵1號線濱江站為背景，研究了基坑開挖過程中支撐軸力的變化規律。孫九春[11]對換乘節點處“坑中坑”的施工問題，從土壓力平衡角度總結了兩種常用的施工方案。趙廣民等[12]基于天津地鐵3號線和6號線換乘車站北站工程實例，提出了新建車站施工期間的風險應對措施。Wang等[13]以濟南地鐵烈士陵園站深基坑工程為例，通過現場監測研究了深基坑開挖支護變形規律。

對換乘車站的力學研究，常用的方法有現場監測和數值模擬。胡安峰等[14]采用有限元軟件ABAQUS模擬節點基坑的施工過程，對計算值與實測數據進行了比較。Liao等[15]通過數值分析方法優化上海地鐵換乘節點的施工方案，將既有車站的變形控制在10 mm以內。Wang等[16]對濟南市某地鐵車站基坑開挖過程中監測到的深層水平位移、支護軸力和樁身表面沉降等數據進行了分析。Xu等[17]根據鄭州地鐵換乘車站紫荊山站基坑開挖及主站結構施工的監測數據，分析了深基坑開挖對環境的影響。Liu等[18]采用FLAC3D數值模擬軟件，研究了地鐵車站深基坑開挖變形特征。Zhang等[19]采用FLAC3D數值模擬軟件研究了武漢地鐵積玉橋站深基坑支護系統的變形特性。Bai等[20]采用MIDAS GTS軟件對天津地鐵2號線青年路站開挖后不同施工步驟模擬預測基坑變形。

從前述研究來看，已有換乘車站的研究內容主要集中在新建地鐵車站對既有地鐵車站的影響問題上，而對換乘節點各車站同期建設的研究較少。此外，對復雜異形斜交換乘車站在施工工期、造價、施工風險、對環境影響控制等方面的設計及施工方案優化的研究較少。天津地鐵6號線與8號線的換乘車站淥水道站的基坑平面為復雜的十字斜交形式，基坑深度較大，最深處達到近27 m。另外，圍護結構形式復雜，存在較多薄弱點，易發生滲漏風險，且支護體系變形及受力復雜。

本文以天津地鐵6號線與8號線的換乘車站為依托，針對實際施工條件的限制，在原有設計方案的基礎上提出了三種優化方案，并對這幾種方案的施工難度、基坑受力變形特征、工期等方面進行全面對比分析，確定了最優方案。本文研究內容可以為復雜斜交換乘車站的方案優選提供參考，推動中國城市軌道交通建設快速健康發展。

1 工程概況

1.1 工程地質及水文地質條件

天津地鐵6號線與8號線的換乘車站淥水道站位于天津市河西區淥水道與微山路交口處，場地土質條件軟弱，基坑變形較難控制，且地層中存在較為深厚的粉土粉砂承壓含水層，基坑發生滲漏的風險較高。根據勘察資料，該車站巖性主要為粉質黏土、淤泥質土、粉砂、砂質粉土等。潛水含水層主要賦存于人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層的黏性土及粉土中，含水層水平、垂直向滲透性差異較大，當局部地段夾有粉砂薄層時，其富水性、滲透性相應增大。上部潛水、地下水埋藏較淺，勘測期間本段地下水靜止水位埋深0.44～5.30 m(高程-2.85～1.89 m)。第一承壓含水層主要賦存于⑧2、⑨2、⑩2砂質粉土、粉細砂層中。第二承壓含水層主要賦存于2、4砂質粉土、粉砂層中，其間夾有多層黏性土相對隔水層。承壓水的滲透補給與潛水水力聯系緊密，排泄以相對含水層中的徑流形式為主，同時以滲透方式補給深層地下水。第一承壓含水層水頭大沽標高為-1.54 m。第二承壓含水層水頭大沽標高為-1.82 m。

1.2 工程簡介

換乘車站平面為復雜的十字斜交形式，如圖1所示。6號線車站為地下三層島式車站，雙柱三跨矩形框架結構，車站長度246.825 m，標準段寬23.3 m，端頭井寬27.55 m，標準段基坑深24.12 m，端頭井基坑深26.128 m；頂板覆土厚3.56 m，車站縱向由小里程至大里程方向為坡度0.2%的下坡。8號線淥水道站為地下兩層車站，雙柱三跨矩形框架結構，車站全長316.0 m(含換乘節點)；標準段寬23.1 m，端頭井寬27.95 m，標準段基坑深17.47 m，端頭井基坑深19.375 m，頂板覆土厚3.56 m，車站線路縱向由小里程至大里程方向為坡度0.2%的下坡。6號線與8號線車站的縱向剖面位置關系如圖2所示。

1.3 周邊環境

6號線淥水道站沿淥水道布置，8號線淥水道站沿微山路布置，周邊環境復雜，主要相鄰的建筑物有惠眾家園小區、社會實踐教育中心、泓春園小區、泓滬園小區，如圖3所示。8號線淥水道站東北側為110 kV高壓電塔車站。此外，車站范圍內，存在較多地下管線，管線切改工作較為復雜。

2 工程方案

2.1 原有工程方案

初步設計中，基坑分期如圖1所示，其中6號線淥水道站為一個獨立基坑(負三層)，8號線淥水道站為兩個獨立基坑(負二層)。施工步序為6號線基坑圍護結構封閉后，先進行基坑開挖施工，以換乘節點為界，分三個工作面開挖。6號線基坑開挖的同時，8號線基坑從兩側端頭井向中間開挖，換乘節點兩側預留土方抵抗換乘節點支撐受力，待換乘節點處主體結構封頂達到設計強度后才能將預留土方挖除。

原工程方案的施工進度安排如下：從2019-05-05開始一期基坑(6號線)的施工準備工作，至2020-08-30完成一期基坑(6號線)主體結構施工，至2020-09-15完成二期基坑(8號線)主體結構施工，總工期合計499 d。

由于2019年7、8月份無停電日，淥水道站東側110 kV高架電纜切改預計2019年9月15日才能完成。淥水道站東側110 kV高架電纜位置如圖3所示，受其保護距離的影響，110 kV不完成入地，別的管線切改存在極大安全風險及施工難度，將導致該站整體工期嚴重滯后，為確保該站整體工期要求，擬對該站施工籌劃進行優化。

2.2 優化方案

2.2.1 優化方案一：斜撐方案

(1)在6號線車站13軸增加分隔墻，將6號線車站分成兩個獨立的封閉基坑，分一、二期進行施工，如圖4所示。無需等6號線東側基坑圍護結構封閉就可以進行6號線一期土方開挖。

(2)6、8號線換乘節點增加混凝土水平斜撐，支撐的平面布置如圖4所示。此方案可以實現6、8號線同時開挖，無需等換乘節點主體結構完成后再開挖8號線南側和北側靠近換乘節點處土方。該方案下文簡稱為斜撐方案。

2.2.2 優化方案二：暗挖逆作法方案

(1)在6號線車站18軸增加分隔墻，將6號線車站分成兩個獨立的封閉基坑，分一、二期進行施工。同樣，無需等6號線東側基坑封閉就可以進行6號線一期土方開挖。

(2)6、8號線換乘節點采用暗挖逆作法施工，如圖5所示。利用結構板作為支撐，可以實現6、8號線同時開挖，無需等換乘節點主體結構完成即可開挖8號線靠近換乘節點處土方。該方案下文簡稱逆作法方案。

2.2.3 優化方案三：預留土方方案

(1)在6號線車站13軸設置分倉墻，將6號線分成一、二期兩個獨立封閉基坑，分兩期基坑進行開挖。6號線斜穿8號線，將8號線分成兩個獨立基坑。本方案共分四個獨立封閉基坑，平面布置如圖6所示。

(2)6號線車站基坑一期先行施工，二期先開挖換乘節點部位，從換乘節點向兩側開挖。8號線北側基坑從兩端(端頭井、換乘節點)向中間開挖，南側從換乘節點向南端頭井開挖，8號線在換乘節點連接兩側預留40 m土方，待6號線換乘節點負一層主體結構頂板完成后，兩側開始對稱開挖，換乘節點處6號線地連墻隨著開挖，從上往下逐層破除。該方案下文簡稱預留土方方案。

3 有限元模擬

3.1 有限元模型介紹

采用大型巖土有限元分析軟件PLAXIS 3D建立換乘車站三維模型進行計算分析。以6號線軸線方向為X軸，垂直6號線方向為Y軸，豎直方向為Z軸建立空間直角坐標系。為消除模型邊界效應，邊界尺寸取3倍～5倍基坑深度，因此X軸方向長度為531 m，Y軸方向為584 m，Z軸方向為81 m。模型計算采用10節點四面體單元，單元數166 872個，節點數288 412個。模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個方向均約束；模型4個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。

計算中土體本構采用HS-Small模型(小應變硬化模型)。土體參數來自工程地質勘查報告和工程經驗取值，具體數值見表1。本節以優化方案三(預留土方法)為例對數值模型進行說明，按照前文所述施工工序模擬開挖過程，換乘車站的三維有限元模型如圖7所示。本方案的關鍵環節為在換乘節點兩側預留土方，在數值模擬中，通過將兩側的預留土方設置成階梯型來簡化處理，得到該部分的有限元模型見圖8。

表1 模型土體參數Table 1 Soil parameters of model

3.2 計算結果與實測數據比較

根據數值計算及工程經驗判斷(下文會展開說明)，該基坑采取方案三進行施工。施工過程中對基坑周邊的土體位移進行監測。對監測數據初步整理，選擇6號線一期基坑的2號、12號測點分析圍護結構的水平變形，6號、8號測點分析地表土體沉降，并將計算結果與實測數據進行比較，所得結果如圖9、10所示?？梢钥吹?，數值模擬與現場實測的結果比較接近。

現場實測得到2號、12號測點圍護結構的水平位移最大值分別為23.18 mm和22.32 mm，埋深分別為-16 m和-17 m，數值模擬得到的最大值分別為23.94 mm和24.18 mm，埋深均為-20.8 m，曲線吻合效果好。實測得到距離基坑邊緣10.8 m處6號、8號測點地表土體沉降均達到最大值，分別為13.2 mm和9.5 mm。數值模擬得到的沉降最大值分別為12.62 mm和13.79 mm，發生在距離基坑邊緣7.05 m和8.47 mm的位置。由于現場監測點的布置較為分散，地表土體沉降曲線的數據點較少，但是從總體上看，數值模擬與現場實測的結果趨勢一致。由此可得，施工前進行數值模擬分析十分必要，并且結果可靠，與該方案的施工結果相差不大。

3.3 不同施工方案的模型比較

本文比較的三種施工方案，即斜撐、逆作法、預留土方方案的差異主要體現在車站斜交位置，因此需要對該部位重點分析，三種方案的局部有限元模型如圖11所示。

4 優化方案對比分析

4.1 結構安全分析

6號線與8號線車站基坑地連墻的連接位置存在4處基坑陽角，地連墻形狀不規則，同時6號線與8號線車站基坑深度不同。在換乘節點處變形及受力較為復雜，具體結構受力和變形不確定，因此在4處陽角位置選擇8個測點對圍護結構的水平變形進行分析，測點位置如圖12所示。根據圍護結構變形的一般特點，對1號、4號、5號、8號測點圍護結構沿y方向的變形進行分析，對2號、3號、6號、7號測點圍護結構沿x方向的變形進行分析，計算結果如圖13、14所示。

在1號與5號位置采用逆作法方案變形控制效果最佳，圍護結構的水平位移最大值小于另外兩種方案，斜撐方案與預留土方方案的變形最大值接近。在4號與8號位置預留土方方案使圍護結構產生了更大變形，最大值比斜撐方案大0.5～1 mm。在2號、3號與6號位置預留土方方案影響居中，斜撐方案變形最大，逆作法變形最小。在7號位置預留土方方案的變形小于斜撐方案和逆作法，結構安全性最好。由此看來，預留土方方案多數情況可優化斜撐方案的結構受力，能夠有效控制圍護結構的變形。

從施工過程來看，逆作法和預留土方方案的基坑支護形式相對簡單，類似的工程經驗豐富，結構安全性能夠得到保障。在換乘節點處采用斜撐、對撐以及連系梁的支撐組合，支撐形式復雜。為進一步觀察支撐的受力情況，對斜撐方案中的3道斜撐進行內力分析，支撐軸力情況如圖15所示。三道斜撐軸力值分布不均，軸力絕對值最大值和最小值分別為4 496 kN和634 kN。軸力分布不平衡，結構安全性差。

4.2 施工技術分析

方案一中支撐形式種類多，支撐結構受力復雜，同時異形地連墻和基坑陽角較多，增加了施工難度和滲漏風險，不再對其進一步討論。

方案二在換乘節點處采取暗挖逆作法施工，在封閉狀態下蓋挖土方受層高、中間支柱和降水井的影響，閉鎖的空間使大型機械設備難于進場，帶來了施工作業上的不便，目前尚缺小巧、靈活及高效的暗挖設備。同時，需要解決水平運輸和垂直運輸問題，施工效率較低。暗挖逆作法的中柱是永久結構，施工精度要求較高，而且對圍護結構和中間柱的沉降控制嚴格，施工難度較大。

方案三采取明挖法施工，施工工序簡單，施工管理方便，施工場地開闊，大型機械和運輸工具使用方便，施工進度較快。同時，施工降排水容易，結構防水簡單，質量可靠。

4.3 施工工期分析

經統計，方案二6號線一期的施工時間是2019-05-05～2020-01-10，為期250 d；6號線二期及8號線施工時間是2019-10-06～2020-08-18，為期317 d；中間交叉工期不做重復疊加計算，總工期合計為471 d。方案三6號線一期的施工時間是2019-12-28～2020-08-19，為期235 d；6號線二期及8號線北側、南側的施工時間是2020-01-10～2021-01-31，為期387 d；總工期合計400 d。

經比較，方案二和方案三的工期均較初始方案減少，達到了工期優化的目的，其中方案三工期更優，比方案二減少60 d左右。

4.4 實際施工效果

如前文所述，現場監測數據表明2號、12號監測點圍護結構的水平位移最大值分別為23.18 mm和22.32 mm，此外，實測得到6號線一期基坑圍護結構的水平位移最大值為24.36 mm，圍護結構變形不超過基坑深度的0.14%。通過采取預留土方方案可有效控制圍護變形，且施工進度較快，對周圍環境影響較小，可創造良好的經濟效益與環境效益。

5 結語

(1)對于十字斜交換乘車站，換乘節點處如果采用水平斜撐，支撐受力不均勻，結構安全性差，且異形地連墻施工難度大，容易出現滲漏風險，因此十字斜交換乘車站中不宜在換乘節點處使用水平斜撐。

(2)換乘節點處如果采用暗挖逆作法，結構受力簡單，工程經驗豐富，但相較于明挖法，施工難度較高，設備投入較大，工期也會大幅增加。

(3)將十字斜交換乘車站分為4個基坑施工，每個基坑的支護體系都較為簡單，施工難度較小，風險較低，并且經過合理統籌工序，工期較其他方案可大幅縮短，因此，本文中的換乘車站采用該方案施工。

(4)選擇施工方案時，應綜合分析施工方案的技術難度及設備要求，在保證施工安全的前提下，盡量縮短工期，節省工程造價。本文車站的方案優化可為類似復雜十字斜交換乘車站的設計提供參考。