大学论文
摘要：针对新建地铁隧道临近明挖及下穿暗挖条件下既有线车站的运营安全问题，以沈阳市新建九号线隧道下穿一号线（运营线路）为工程背景，通过数值模拟分析得出明挖及暗挖方案对既有线车站沉降及结构最大位移的影响均处于安全范围之内；制定既有线监控量测方案，结合自动化监测现场量测数据表明一号线铁西车站呈稳定状态，中洞破桩施工后局部断面已形成了明显的沉降槽，需要重视对变形区域的轨道平顺性的检测。自动化实时监测现场量测数据有利于及时掌握和提供地铁一号线对应区域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的状态信息，及时指导施工，起到了重要的地铁保护与安全保障的作用。
关键词：地铁隧道； 既有线； 自动化量测； 结构变形；
Abstract:In view of the operational safety problems of existing railway stations under the conditions of newly-built subway tunnels near open-cut and under-cut,taking the newly-built No. 9 subway tunnel in Shenyang as the engineering background,through numerical simulation analysis,it is concluded that the impacts of open-cut and under-cut schemes on the settlement of existing railway stations and the maximum displacement of structures are within the safe range. The monitoring and measurement scheme of existing lines is worked out. Combined with the field measurement data of automatic monitoring,it shows that Tiexi Station of Line 1 is in a stable state,and obvious settlement grooves have been formed in local sections after the construction of broken piles in the middle tunnel. It is suggested to detect the track smoothness in the deformation area. Automatic real-time monitoring of field measurement data is conducive to timely grasping and providing the status information of the corresponding area of Metro Line 1 during the open excavation construction period and the underground excavation underpass period,guiding the construction in time,and playing an important role in subway protection and security.
Keyword:subway tunnel; existing lines; automatic measurement; structure malformation;
1 概述
近年来，地铁凭借节约土地、运量大、效率高、布局城市发展等优势在国内得到了蓬勃发展[1,2].随着城市轨道交通网络的日益完善，新建地铁线路下穿既有线问题也随之增多，进而会对既有线路的正常运行造成不可忽视的影响[3,4,5],这也对新建地铁隧道的施工技术提出更为严苛的要求[6].
以沈阳市新建九号线隧道下穿一号线（运营线路）为例，通过数值模拟分析明挖及暗挖施工对既有线车站的影响，验证既有线的施工安全性；制定既有线监控量测方案，结合现场量测数据及时掌握和提供地铁一号线对应区域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的变形信息与工作状态，指导基坑及下穿安全施工，修正施工参数或施工工序，保证地铁一号线对应区间运营安全。
2 工程背景
沈阳市铁西广场站为九号线与既有一号线车站的换乘车站，车站位于建设中路与兴华北街路口的北侧，与一号线呈T字型。车站东侧为在建华润置地商场，西侧为公安局铁西分局、中国工商银行铁西支行等，十字路口东南角为铁西广场，西南角为第一商城。地铁一号线铁西广场站基坑深度约为18 m,基坑安全等级为一级，侧壁重要性系数取1.1,基坑的变形保护等级为一级，一号线施工时已施工九号线下穿段主体结构围护桩；地铁九号线铁西广场站为岛式站台车站，有效站台宽12.9 m,车站起点里程DK5+960.162,终点里程DK6+137.132,主体结构总长176.97 m,标准段宽22.0 m.结构形式在小里程端是三层三跨，大里程端是三层双跨箱型框架结构，采用明挖法施工，换乘节点下穿段为单层双跨箱型框架结构，利用一号线预留条件采用暗挖法施工。
九号线铁西广场站分两部分施工，首先施工地铁九号线明挖段，施工完成后，下穿既有地铁一号线铁西广场站。本工程位于沈阳地铁一号线铁西广场站车站主体结构控制范围内，施工区域明挖段与地铁一号线铁西广场站南北相接，暗挖段下穿地铁一号线铁西广场站，对一号线铁西广场站直接影响里程范围约为DK9+440.296~DK9+464.296,详见图1.
明挖段车站施工基坑结构地下3层，暗挖段下穿既有一号线铁西广场站，开挖深度约26 m,对应地铁一号线铁西广场车站埋深约17 m,下穿暗挖段与一号线地铁车站剖面位置关系详见图2.
3 数值模拟计算分析
对于明挖和暗挖施工阶段，采用midas GTS软件建立地层结构模型，进行三维全过程数值模拟分析。模型大小为95 m×77 m×75 m（长×宽×高）。模型底面仅约束z方向的竖向位移，左右两个侧面（长度方向）仅约束x方向的水平位移，前后两个侧面（宽度方向）仅约束y方向的水平位移，模型图见图3.
3.1 明挖施工阶段既有线车站变形分析
对基坑分层开挖和拆撑二衬回筑进行分步分析。
由图4可知，明挖阶段基坑开挖过程中，靠近明挖基坑侧既有线车站侧墙沉降较大。基坑开挖完成后既有线底板最大沉降值为0.29 mm,结构侧向位移最大值0.68 mm,发生于顶板处。
由图5可知，主体端头二衬结构施工完成既有线底板最大沉降值为0.44 mm,结构侧向位移最大值0.88 mm.一号线轨道最大沉降控制值为4 mm,隧道结构水平位移变形控制值为3 mm,明挖阶段，既有线沉降及结构最大位移均处于安全范围之内。
3.2 暗挖下穿施工阶段既有线车站底板沉降分析
暗挖分析是在基坑开挖完成后进行分步分析的，包含侧洞开挖、中洞开挖、凿除24轴~25轴预留中间桩、凿除23轴与26轴处中间桩、凿除23轴~24轴与25轴~26轴间中间桩、凿除临时混凝土柱。
如图6所示，暗挖施工导致的车站结构侧向位移较小，施工完成后侧向位移增大0.08 mm,最大侧向位移值为0.96 mm,位于结构顶板处。
如图7所示，随暗挖施工逐步进行，既有线底板各点沉降值逐渐增大；凿除24轴~25轴预留支撑桩施工步引起的沉降最大，为0.51 mm;暗挖施工完成后，底板沉降最大值为2.38 mm,位于靠近九号线基坑侧底纵梁下。考虑降水施工引起的区域沉降0.4 mm,施工总沉降最大值约为2.78 mm,满足沉降控制标准，理论上施工方案可以保证一号线运营安全。
4 监测方案
本次变形监测里程范围约为DK9+402.296~DK9+502.296段，监测区间长度约100 m,施工基坑临近地铁一号线车站左、右线直接影响范围24 m内，每5 m布设一处监测断面，共布设5个断面，东、西方向各外延40 m,每8 m加设一处断面（变形缝两侧各布设一个），共加设10个断面，共布设15个断面，断面对应里程见表1.监测依据CJJ-T 202-2013城市轨道交通结构安全保护技术规范[7],GB 50308-2017城市轨道交通工程测量规范[8].智能型全站仪布设在约DK9+450处，基准点布设于区间变形范围之外的隧道侧壁上，共计4个（每一端2个），由小里程至大里程依次编号为JZ1,JZ2,JZ3,JZ4.自动化监测系统的坐标系采用相对独立坐标系统，平面坐标系以里程减小且近似平行于隧道的方向为X轴正向，垂直于站一与站二连线的方向为Y轴方向，取测站一位置为坐标原点，高程坐标系取测站一仪器旋转轴中心位置为起算零位置，Z轴铅直向上为正。
表1 监测断面对应地铁里程表
车站断面监测点布置如图8所示。
5 现场监控量测分析
根据施工方案，九号线铁西广场站施工含以下4个主要阶段：地铁九号线本标段铁西广场站基坑明挖施工；地铁九号线邻标段铁兴区间明挖段施工；下穿既有地铁一号线铁西广场站导洞开挖施工；中洞围护桩破除及施工。下面将按以上施工进度节点及变形情况分阶段进行分析说明。
5.1 地铁九号线本标段铁西广场站基坑开挖施工期
此期间因基坑土体开挖，局部卸载，导致基坑附近地基隆起变形，对既有一号地铁线铁西地铁站影响如下：
1）左线变形情况。
如图9所示，至基坑开挖完，各监测点位的变形量DY（向基坑一侧横移）累计值普遍在±1.1 mm以内，DY方向最大变形量为1.25 mm（左DM09-4）。可以认为，左DM07~左DM0 9号断面的侧壁点（4号点）存在约1.1 mm,道床点（2号、3号点）存在约0.7 mm,偏向基坑侧的水平位移。
如图10所示，各监测点位的变形量DZ隆沉累计值普遍在±2.80 mm以内，DZ方向最大变形量为2.79 mm（左DM09-2点）。可认为，左DM06~左DM10断面道床存在约2.5 mm,靠近基坑的结构壁存在约2.0 mm的隆起趋势变形，近基坑侧4号点比远基坑侧1号点隆起量要小约为0.5 mm.
2）右线变形情况。
右线隧道平面位移从监测数据上来看不存在趋势性变化，总体处于稳定状态。
如图11所示，右线隧道沉隆位移，在监测区间中部位置的断面6~断面10道床监测点，存在1.7 mm~2.0 mm的隆起趋势变形，YCZDM8点隆起最大为2.0 mm,结构壁的变形趋势与道床监测点基本一致，YCZDM10-1点隆起最大为1.7 mm.
5.2 地铁九号线邻标铁兴区间明挖段开挖施工完毕
此期间因邻标铁兴区间明挖段开挖，局部卸载，导致地基隆起变形，对既有一号地铁线铁西地铁站影响如下：
1）左线变形情况。
如图12所示，各监测点位的变形量DY（横向位移）累计值与上一阶段相比有减小的趋势，4号点（基坑侧隧道侧壁）位置由上一阶段的约1.2 mm减小到约0.6 mm,2号、3号点（道床）位置回复到约0 mm,1号点（站台侧）位置，表现为向邻标段基坑方向约-0.3 mm的变形。
如图13所示，各监测点位的变形量DZ隆起累计值普遍在5.5 mm以内，DZ方向最大变形量为5.37 mm（左DM09-2点）。可认为，左DM08~左DM10断面道床存在约5.1 mm,靠近本标段基坑的结构壁4号点位置存在约4.5 mm的隆起趋势变形。
2）右线变形情况。
如图14所示，各监测点位的变形量DY（横向位移）累计值普遍在-2.5 mm以内，其中断面6~断面10靠近邻标段基坑一侧结构壁存在约-2.2 mm,道床存在约-1.6 mm的水平位移，其变形方向指向邻标段基坑。
如图15所示，各监测点位的变形量DZ隆起累计值普遍在4.0 mm以内，右DM10-4点（对应里程为DK9+462.296）隆起最大，最大值为3.92 mm,断面6~断面10存在约为3.90 mm的隆起位移趋势。右线开始自动化监测之前采用人工监测，道床及结构普遍呈隆起状态，最大隆起点（YCZDM8）隆起值2.0 mm,因此右线实际隆起最大值约5.9 mm.
5.3 下穿既有地铁一号线铁西广场站导洞开挖施工完毕
此期间因本标段下穿暗挖段左、右导洞开始施工，地铁一号线车站6号、7号断面及9号、10号断面正下方开挖，导致相应出现位置下沉变形。
1）左线变形情况。
如图16所示，各监测点位的变形量DY（横向位移）累计值基本与阶段2一致。如图17所示，左线中部隆起值较阶段2有所回落，DZ方向最大隆起量为2.48 mm （左DM09-2点），左DM08~左DM10断面道床存在约1.6 mm左右，靠近本标基坑的结构壁存在约0.2 mm左右的隆起变形，中部位置1号、4号点的相对高差由阶段2的约-0.8 mm变为约-1.8 mm.
2）右线变形情况。
如图18所示，右线各监测点位的变形量DY（横向位移）变形趋势与阶段2基本一致，量值略有减小，中部断面存在约-1.0 mm的水平位移，变形方向指向邻标段基坑。
如图19所示，右线高程方向表现为隆起回落，右DM08-1点（对应里程为DK9+452.296）最大-2.36 mm,中部断面7~断面10道床存在约-0.2 mm~-1.0 mm的沉降，靠近邻标段基坑一侧存在约-2.2 mm的沉降趋势。中部位置1号、4号点的相对高差由阶段2的约0.8 mm变为约1.9 mm.综合考虑右线自动化监测前的隆起量，最大沉降DM08断面处的累计值应在-0.2 mm左右。
5.4 中洞围护桩破除及施工完毕
此期间因本工程下穿暗挖段中洞开始施工，地铁一号线车站断面7~断面9正下方开挖，且1号线车站施工时为九号线下穿预设的两排支撑桩全部破除，导致8号及相邻断面处出现明显下沉变形。
1）左线变形情况。
如图20所示，各监测点位的变形量DY（向基坑侧横移）方向累计值普遍在-1.7 mm以内，其中部断面存在约-1.6 mm的水平位移，其变形方向指向邻标段基坑。如图21所示，各监测点位的变形量DZ（隆沉）方向上，总体上表现为中部沉降，DZ方向最大变形量约为-3.3 m（左DM08-1点）。
2）右线变形情况。
如图22所示，各监测点位的变形量DY（横向位移）累计值普遍在-2.3 mm以内，其中中部断面存在约-2.2 mm的水平位移，其变形方向指向邻标段基坑。如图23所示，各监测点位的变形量DZ（隆沉）方向上，总体上表现为中部沉降。累计下沉值普遍在-4.5 mm以内，右DM08-4点沉降最大，最大值约为-4.5 mm.综合考虑人工与自动化的监测成果，最大沉降DM08断面处的累计值约为-2.6 mm.
6 结语
本文通过数值模拟分析明挖及暗挖施工对既有线车站的影响，验证既有线的施工安全性，制定既有线监控量测方案，结合自动化监测现场量测数据及时掌握和提供地铁一号线对应区域在基坑明挖施工期及暗挖下穿期的状态信息，及时指导施工，确保了工程安全，自动化监测起到了重要的地铁保护与安全保障的作用。
1）通过三维数值模拟，验证了该施工方案对既有线沉降及结构最大位移的影响均处于安全范围之内。
2）在整个监测期，系统运行正常，仪器设备状态良好，监测成果准确可靠，反映了既有线车站地铁隧道在各施工阶段的变形情况。
3）监测数据显示，工后1个月基本无趋势性变化，可以认为一号线铁西车站呈稳定状态。
4）鉴于在九号线施工过程中，特别是中洞破桩施工后，断面6~断面10出现先隆起、后沉降的现象，已形成了沉降槽，断面最大沉降处于安全范围之内。为确保地铁运营的安全，需要重视对变形区域的轨道平顺性的检测。
5）本文以数值模拟与现场自动化监测相结合的模式指导施工的安全进行，该模式对地铁隧道的建设具有借鉴意义。
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[8] GB/T 50308-2017,城市轨道交通工程测量规范[S].