郑宏利，牛豪爽

(1.中铁十六局集团路桥工程有限公司， 北京 101500； 2.长安大学， 陕西 西安 710064)

随着经济的快速发展，城市规模和人口也在日益扩大，轨道交通将由二维线状向三维立体网状发展，难免出现在既有车站附近新建构建物基础、地铁等情况，这不仅使得既有车站稳定性受到严重影响，同样也会增加新建构筑物的施工难度[1-4]。根据有关研究[5-7]，在 2050年北京市区轨道交通线路规划图中，节点车站和地铁区间穿越段的数目高达118处。目前穿越工程施工过程相互影响的分析研究主要采用数值模拟技术，研究成果较多，但对于多种构建筑物同时下穿车站这种耦合作用的相关研究较少，对车站结构的位移和变形影响分析也相对较少。许斌峰等[8]采用MIDAS/GTS软件建立工程结构顶管施工全过程的数值模拟，结合监测数据，得到矩形顶管施工对下穿电力隧道影响主要以竖向隆起为主，水平位移可以忽略。郭涛等[9]借助数值分析方法与现场自动监测，对近距离下穿既有隧道的影响展开研究，对实际施工工况进行数值模拟，动态地分析了下穿过程对既有地铁隧道的影响。许友俊等[10]运用有限元软件对施工过程进行模拟。结合实测数据，分析了在既有车站底板下方布置四排预埋桩基与不布置预埋桩基两种情况下盾构施工对既有车站沉降变形的影响。朱正国[11]采用FLAC3D三维快速拉格朗日差分方法分析软件对不同开挖工法及周围地层不同加固范围等施工方案进行了数值模拟，分析了既有车站轨道沉降、结构应力及新建区间隧道周边变形、结构受力特点及规律。在下穿工程中，许多学者还进行了大量的研究[12-16]，同时为施工风险控制提供了理论依据。

本文通过数值建模，模拟南大干线桥墩桩基、上部混凝土箱梁结构施工、会江涌箱涵改造施工以及穗西电力隧道盾构段施工等工况下对广州地铁二号线的影响，分析地铁车站结构的受力及变形状态在各阶段下的变化过程，进而评估南大干线项目的实施对地铁二号线地铁结构的影响程度，为后续施工提供理论依据，同时也为类似工况工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

广州市南大干线西起番禺区石壁街钟三路，路线自西向东经大石街、南村镇、新造镇和化龙镇，终点位于石楼镇莲花大道，路线全长约30.5 km。道路等级为城市快速路，规划路基宽度为80 m，是联系广州南站一番禺新城及大学城组团的交通干线，未来西延佛山，往东通过莲花山过江通道连接东莞，将形成佛山—番禺—东莞的快速通道。

南大干线(东新高速至番禺大道)—东新高速至G105国道K2+960—K4+869工程位于番禺区大石街，路线全长1.909 km，起终点桩号为K2+960，是整个南大干线中的一部分。路线西起于东新高速公路(互道立交不包括立交范围)，南大干线主线高架桥设上、下匝道与东新高速连接；路线向东延伸，南大干线主线连续高架，分别上跨规划石西路、大石次三路，地面辅道与之作平面交叉；南大干线继续向东至终点桩号K4+869,其中与地铁二号线会江站交叉部分平面图如图 1所示。

图1 地铁二号线会江站交叉部分平面图

1.2 工程地质条件

场区属珠江三角洲沉积区，从上往下，覆盖层主要为第四系全新统人工填土(Q4)、第四系全新统冲积层(Q4al)，第四系残积层(Qel)，基岩为白垩系砂岩、泥质粉砂岩(K)。本路线工程地质的主要特点是全线分布巨厚层软土，本工程全线为软土路基，软土为流塑状淤泥、流塑状—软塑状淤泥质土。

选取地铁车站左线和右线典型地质纵断面钻孔可得，地铁车站结构主要位于<4-1>粉质黏土、<5-2>粉质黏土和<6>全风化粉砂岩中。考虑桩基施工及河涌改造施工对地铁车站的影响主要为土体侧向卸载及顶部竖向加卸载可能产生的车站结构位移，因此地铁车站所在位置的岩土层物理力学特性对分析桩基施工、河涌改造施工等产生的影响更为敏感，选取地铁钻孔作为评估的地质条件。

对比以上钻孔可得，建模分析过程以距离河涌改造段更近且岩面最低对地铁车站结构更为不利的MBZ3-HJ-05作为计算依据，可获得更为准确、真实的计算结果，相应的钻孔柱状图见图2。

2 数值模拟研究

MIDAS/GTS NX是一款基于尖端的计算机处理和分析技术研发而成的新一代通用岩土分析软件。该软件包含施工阶段的应力分析和渗透分析等岩土和隧道所需的几乎所有分析功能的通用分析软件。GTS/NX将通用分析程序MIDAS/Civil的结构分析功能和前后处理程序MIDAS/FX+的几何建模和网格划分功能结合后，加入了适合于岩土和隧道领域的专用分析功能。

图2 MBZ3-HJ-05钻孔柱状图

2.1 分析范围

(1) 南大干线主线主线桥高架段与地铁会江站相交，与车站呈近似垂直关系，本次分析区域内主线桥K3+320桥台桩基与车站结构最小净距6.7 m。A匝道高架段与地铁会江站相交，与车站呈近似垂直关系，本次分析区域内A匝道AK0+100桥台桩基与隧道盾构段结构最近距离10 m。

(2) 500千伏穗西电力隧道工程(南大干线共建段)第1路段与二号线会江站相交。穗西电力隧道拟采用 Φ4 100 mm盾构，由于地铁车站覆土有限，隧道无法从区间上方穿越，设计采用盾构从二号线车站底下穿，电力隧道距离车站净距6.7 m。盾构隧道穿越处地层为红层中风化带，地质条件好。

(3) 会江涌箱涵改造工程与车站主体结构近似平行，与车站附属I号出入口斜交。新建箱涵桩基距离车站附属I号出入口最小净距3.26 m。新建箱涵距离车站主体结构最小净距2.84 m，挡土墙距离车站主体结构最小净距2.12 m，施工期间基坑开挖深度3.2 m～3.9 m，采用放坡开挖，基坑开挖顶距离车站主体结构最小净距仅0.5 m。新建箱涵两侧填土高度1.5 m。新建箱涵从I号出入口上方通过，跨越I号出入口采用桩基加混凝土板的形式架空穿越，施工期间开挖基坑底以及施工后箱涵底距离车站附属结构顶板净距仅10 cm。

根据拟建南大干线主线桥高架段、A匝道高架段、拟建穗西电力隧道以及拟改造会江涌方案与紧邻地铁隧道结构的空间关系，结合桩基设计方案、承台开挖方案、桥梁上部结构方案、电力隧道以及会江涌改造的设计和施工等资料，建立三维整体模型，详见图3。

图3 数值模型三维透视图

本文整体模型中包含了既有的二号线会江站、拟施工南大干线主线高架段、A匝道高架段、穗西电力隧道和拟改造会江涌，模型计算范围为长约125 m，宽约100 m，土层计算深度为75 m。

2.2 计算参数

本文主要参考《广州市轨道交通二、八号线拆解工程会江站详细勘察阶段岩土工程勘察报告》提供的岩土层参数作为计算依据，并根据相关工程经验，可确定三维整体模型的岩土层参数。

各岩土层土体采用弹塑性本构模型进行模拟，具体计算参数见表1。

表1 岩土层主要物理力学参数表

根据二号线会江站设计资料，可确定三维整体模型的车站几何尺寸及物理力学参数，如表2所示。

表2 车站结构主要参数表

依据穗西电力隧道设计方案资料，三维整体模型的结构几何尺寸见表3。

表3 电力隧道管片主要参数表

依据桩基设计方案资料，三维整体模型的结构几何尺寸见表4。

表4 桩基结构主要参数表

2.3 边界条件及基本假设

边界条件：三维整体模型的边界条件为：模型底部约束Z方向位移，模型前后两面约束Y方向位移，模型左右两面约束X方向位移。三维整体模型的荷载条件为：岩土层自重、桩机自重、桥墩自重及现浇梁满堂支架荷载。一般地面按20 kPa，桩机超载按40 kPa，现浇梁满堂支架荷载按设计要求及相关规范取值。

基本假设：将土体视为均质、各向同性、理想的层状弹塑性体，并在盾构过程中不考虑土体的时间效应; 电力隧道管片为各向同性的线弹性体，且忽略其管道接头的影响; 忽略模型尺寸效应与粒径效应; 在土体与管片之间的注浆层，考虑其注浆硬化的过程，仅考虑注浆后的压力大小。

2.4 分析工况

本次分析内容主要是拟建南大干线路高架段桩基施工、穗西电力隧道以及会江涌改造等施工对地铁二号线车站结构的影响。

针对拟建工程的全过程进行三维模拟，共分为46个施工工况，计算分析前2个工况为模拟地铁施工初始状态，主要为获取地铁结构初始内力；工况3—工况7为模拟A匝道高架段施工；工况8—工况12为模拟主线桥高架段施工；工况13—工况17为模拟会江涌箱涵改造施工；工况18—工况46为模拟电力隧道盾构掘进施工，具体如表5所示。

表5 模拟工况施工步骤

3 模拟结果分析

3.1 地铁结构水平位移

通过分析南大干线高架段施工、会江涌改造施工以及穗西电力隧道施工的过程，获得拟建南大干线、会江涌改造及穗西电力隧道施工对地铁结构的水平位移的影响，如图4所示。

由计算结果可知，地铁结构水平位移随着桩基施工、河涌改造施工和电力隧道施工的增加而增大，在基坑开挖与旧箱涵破除时，位移产生突变，主要是因为基坑土的移除打破了原有的土体平衡，因此在施工时应注意基坑支护，来维持原有平衡。位移最大值为1.037 mm，出现在工况38(电力隧道第21环施工)，位移最大值位于I号出入口顶板靠近河涌基坑开挖东侧的位置，且位于车站结构的顶部。

图4 各工况步骤下地铁结构水平位移极值

地铁结构水平位移变化较大的工况出现在工况15—工况17，说明河涌改造施工是引起地铁结构水平位移的主要施工因素。

3.2 地铁结构竖向位移

通过分析南大干线高架段施工、会江涌改造施工以及穗西电力隧道施工的过程，获得拟建南大干线、会江涌改造及穗西电力隧道施工对地铁结构的竖向位移的影响，如图5所示。

图5 各工况步骤下地铁结构竖向位移极值

由计算结果可知，地铁竖向位移最大值为隆起3.704 mm，出现在工况15(基坑开挖与旧箱涵破除)，可在图中看到明显的突变，随着挡土墙与新箱涵施工和基坑回填迅速减小，可见在基坑开挖过程中，有效的支护非常有必要，并且在进行回填前不能拆掉支撑装置。随着电力隧道盾构的开挖，竖向位移基本平稳。 位移最大值位于I号出入口与箱涵开挖基坑相交处正下方的顶板，且位于车站结构的顶部。

3.3 地铁结构内力

通过分析南大干线高架段施工、会江涌改造施工以及穗西电力隧道施工的过程，获得拟建南大干线、会江涌改造及穗西电力隧道施工对地铁结构的弯矩的影响，如图6所示。

由计算结果可知，地铁结构初始弯矩值为-1 130.12 kN·m，弯矩极值为-1 158.67 kN·m，出现在工况15(基坑开挖与旧箱涵破除)，在拟建项目施工期间，隧道弯矩呈增大趋势，弯矩增量为28.55 kN·m，增幅仅为2.5%。

图6 各工况步骤下地铁结构弯矩极值

4 结 论

本文通过建立三维模型分析了南大干线高架段、会江涌改造以及穗西电力隧道施工荷载对地铁结构的弯矩的影响，模拟了桥梁施工、会江涌改造和电力隧道施工的过程，获得了各工况下地铁二号线会江站结构的变形及内力变化情况。

(1) 在工况5—工况6模拟中，随着A匝道承台基坑开挖，水平、竖向位移和弯矩都出现突变，在此阶段施工中，应保障开挖过程中的支撑。

(2) 施工工况模拟中，在工况15即基坑开挖与旧箱涵破除中，水平位移、竖向位移和弯矩同时达到最大值，在施工过程中，应做好开挖前后期的支护。

(3) 整个盾构电力隧道开挖过程中，未出现明显的位移和弯矩突变，在水平位移上较为平稳，竖向位移和弯矩都有小幅度上升，应加以关注。

(4) 地铁车站结构水平位移极值为1.037 mm，竖向位移极值为隆起3.704 mm，隧道结构弯矩极值为-1 158.67 kN·m，弯矩增量为28.55 kN·m，增幅仅为2.5%。