0 引言

　　城市建设中，经常出现紧邻既有地铁的工程，如上海某广场基坑北侧与既有线距离仅5.4m^[1]，侯学渊等指出，基坑工程周边地铁隧道抵抗变形的能力有限，单靠保证基坑稳定性远不能满足严格的隧道变形要求。控制基坑开挖引起的周边土体地表沉降与水平位移为首要任务^[2]，地面新荷载、隧道周边基坑开挖、隧道穿越等均会使既有地铁隧道、车站结构产生不均匀附加变形^[3,4,5]。因此，须结合工程地质、围护结构和土体开挖，设计合理的基坑开挖、支护方案，验算方案可行性，预测基坑开挖对既有线结构产生的影响^[6]。本文主要根据宣武门地铁站改扩建工程，对西北竖井方案进行设计及合理性验算，预测既有线西北出入口结构在竖井开挖过程中的位移场变化情况。

　　1 工程概况

　　宣武门地铁站位于北京市二环内的中心城区，宣武门东、西大街与宣武门内、外大街交叉路口处，宣武门站是2,4号地铁线的换乘车站。2号线车站沿宣武门东、西大街呈东西向布置，为端头厅车站;4号线车站沿宣武门内、外大街呈南北向布置，为端头厅车站，南、北两端为地下2层结构。4号线车站与2号线车站呈十字形相交，4号线下穿2号线，2座车站通过2座相对的E形通道，将2号线站台与4号线南、北站厅相连，实现换乘。目前换乘通道为单向使用，西侧通道用于4号线换乘2号线，东侧通道用于2号线换乘4号线。

　　本项目通过新建西北、东北、西南3条换乘通道实现4号线向2号线的换乘，原有E形通道解决2号线向4号线的换乘客流。其中在西北与西南象限单独增设竖井横通道，利用横通道开挖地下暗挖厅;东北象限在宣武门内大街东侧、大方胡同南侧设置明挖方厅，并利用明挖方厅开挖暗挖出入口通道;东北东象限沿宣武门东大街北侧辅路设置1段明挖，并从西侧明挖端头开挖暗挖出入口通道;东南象限对原2号线东南口进行明挖破除改造。改造工程各象限新增结构如图1所示。

　　图1 改造工程新增结构 

　　本文研究重点为西北竖井施工，西北施工竖井及横通道位于宣武门内外大街与宣武门东西大街路口西北象限，主要用于施作西北象限地下售检票厅、后期扶梯的运装，同时通过售检票厅开挖接通2,4号线的换乘通道。竖井采用倒挂井壁法施工，开挖尺寸5.1m×7.2m，井深18.78m。目前存在以下问题:竖井距既有4号线宣武门站3号出入口仅4.3m，对既有线出入口结构位移和应力重分布有较大影响，因此需谨慎施工并进行验算评估。

　　2 竖井施工方案初步设计

　　2.1 施工竖井及锁口梁

　　竖井平面尺寸设置为4.5m×6.6m，深18.784m。根据北京地区常规锁口圈做法，锁口圈设计为钢筋混凝土结构。因竖井周边环境复杂、风险源较多，应压实锁口圈基础，压实系数≥0.94。

　　2.2 施工竖井初支结构设计

　　为限制既有线出入口位移，施工前先在竖井与既有线间施工钻孔灌注桩。竖井开挖支护采用内壁挂网喷浆及加横撑的方式，开挖到一定程度后，采用超前小导管注浆和加密内支撑的形式，限制竖井产生较大变形，竖井底板采用钢筋混凝土浇筑。支护结构如图2所示。

　　竖井初支结构根据地质情况，依据工程类型及计算分析，确定C20网喷混凝土联合格栅钢架的支护形式。

　　图2 支护结构 

　　根据地质情况、结构形式、井深及周围环境要求等因素，结合工程类型确定竖井初支参数。深孔注浆采用水泥水玻璃双液浆(可根据地层条件及现场注浆试验进行适当调节)，开挖至7m处进行注浆，水平注入范围1.5m，注浆后土体应有良好的均匀性和自立性，掌子面不得有明显渗水，无侧限抗压强度需达0.5～0.8MPa，渗透系数≤1.0×10^-6cm/s。钢筋网为6.5，间距150mm×150mm，单层且四周铺设。喷射混凝土采用C20,0.30m厚。格栅钢架采用I16a型钢。纵向连接筋为20，内外双层。

　　2.3 钻孔灌注桩施工

　　1)西北竖井东侧施作800@1 200钻孔灌注隔离桩(共8根)，桩定位中心线纵横向偏差应≤50mm，成桩垂直度偏差应≤1%。

　　2)隔离排桩于施作锁口圈梁后进行打设，待隔离桩强度>80%，方可开挖竖井。

　　3)钻孔灌注桩施工应满足桩长、桩径、混凝土强度等级等设计要求，不应有断桩、混凝土离析、夹泥等现象发生，混凝土粗骨料最大粒径不得大于主筋间最小净距的1/3，桩底沉渣≤100mm。

　　4)钻孔灌注桩采用隔二施一的跳桩施工方法，相邻桩混凝土达到设计强度后，方可施工相邻桩。

　　5)泥浆护壁成孔施工需满足GB/T 50299—2018《地下铁道工程施工质量验收标准》要求。

　　6)钻孔灌注桩桩顶设计标高处的混凝土强度需满足设计要求，设计标高处不得有浮渣。浇筑冠梁前应清除顶部残渣、浮土和积水，并凿除超高部分混凝土。

　　2.4 变形控制要求

　　根据《北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系》，竖井施工时，出入口及风道的变形速率为0.5mm/d，竖向变形(上浮)预警值、报警值、控制值分别为0.7,0.8,1.0mm;横向变形预警值、报警值、控制值分别为0.7,0.8,1.0mm。

　　3 初步设计方案验算

　　3.1 模型建立

　　利用有限元程序模拟施工过程，取最不利断面，建立有限元二维模型，其中土体分8层，采用平面应变单元。

　　3.2 支护单元选择及实现

　　内支撑采用梁单元，内衬喷射混凝土采用线单元模拟;注浆区域采用参数变化方式进行模拟，消除原状土参数，换成注浆水泥土参数;钻孔灌注桩采用生死单元方式，删除区域内土体单元，更换为钻孔灌注桩单元并赋予钢筋混凝土参数。

　　3.3 边界条件

　　模型边界条件设为限制两侧水平位移及底部竖向位移，并施加重力。

　　分步开挖支护，模拟施工程序，土体参数如表2所示，支护结构参数如表3所示。

　　表2 土体参数 

　　表3 支护结构参数  

　　3.4 计算结果

　　开挖及支护结束后，绘制横向及竖向位移云图(见图3)。由横向位移云图可看出，横向位移变化集中分布在竖井4个边角，基本呈对称分布，其中右侧由于既有线的存在，中间部位出现倾向竖井内部位移的区域，此区域贯穿钻孔灌注桩，因此务必保证钻孔灌注桩的刚度，阻止横向位移场发展至既有线出口，同时，内支撑工字钢的轴向变形分布呈非对称性，主要因为既有线的存在;由竖向位移云图可以看出隆起较大部位为竖井底部，由于注浆和桩的存在，既有线侧相应部位竖向位移存在局部收敛趋势，加固区域外侧等值线呈逐步发散现象。

　　图3 位移云图  

　　为量化分析既有线结构的位移场，现提取既有4号线出入口结构进行单独分析。

　　由横向结构位移云图(见图4a)可以看出，横向位移最大值在靠近竖井埋深较大位置，开挖完成后预计横向位移0.96mm，位移范围逼近控制值，因此，可加密横向支撑限制横向位移;由竖向结构位移云图(见图4b)可以看出，竖向位移最大值在靠近竖井埋深较浅位置，开挖过程中预计最大上浮0.79mm。

　　图4 结构位移云图 

　　通过结构位移云图可以发现，横向和竖向(上浮)最大值均在靠近竖井一侧，因此此部位为重点关注对象，为量化分析位移场变化规律，将此部位节点位移进行开挖过程提取，提取部位如图5所示。

　　图5 位移变化节点选择  

　　节点1,2位移变化曲线如图6所示，由图6a可以看出，1,2号节点横向位移随开挖深度呈非线性变化，峰值拐点分别为7～8m,15～17m，施工至此阶段应格外谨慎，加强监测。横向相对位移趋势与2个节点的曲线息息相关，相对位移大小反映结构受力强弱。结构横向相对位移拐点为开挖至7m时，达1.5mm，此时既有线出入口结构受力程度较大。图6b反映1,2号节点的竖向位移变形规律，1,2号节点竖向变形趋势一致，变形协调性较好，节点1的上浮度略高，两者相对位移较小，竖向刚度优于横向，主要是因为加大结构横向跨度。

　　图6 位移变化曲线 

　　1,2号节点整体位移竖向变化规律为沉降—上浮—沉降，虽然开挖完成后既有线出入口上浮满足控制要求(<1mm)，但开挖过程中(约12m处)接近上浮限制值，约0.79mm，因此开挖至此深度应增加既有线出入口配重，防止上浮超过上限。因为本计算未考虑既有线出入口电梯、安检设备及人流活荷载，为最不利工况，因此，计算结构上浮结果略大。

　　4 结语

　　宣武门站改造工程竖井方案设计采用内撑加注浆的方法，通过验算，满足周边建筑变形控制要求。经计算发现，竖井开挖过程中既有线出入口结构的位移呈非线性变化，通过位移变化规律，得出开挖过程中几个关键控制节点，为施工顺利开展提供部分依据。