隧道密贴下穿地铁车站结构变形数值分析

沈小辉，魏云杰，陶连金，李文博，许有俊

(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)

随着我国城市地铁的飞速发展，车站、隧道等空间交错结构愈来愈普遍，穿越施工工程越来越多。地铁交叉穿越传统的设计方法是两隧道之间保留2～10 m的夹层土，以减小上层隧道的变形。但这种工法产生的结构变形依然很大，已经无法满足北京地铁发展的需要。目前大多改为密贴穿越，密贴穿越技术大多采取注浆加固，这是一种被动的加固方法，一旦上层隧道产生沉降及变形，这种沉降及变形将无法恢复。目前北京较主流的穿越施工方法为新建地下结构顶板与既有地下结构底板密贴方法施工(专利工法)。该工法采取液压同步控制顶升技术，在下穿段施工的各个阶段中按照不同的沉降变形量进行顶升调整，将上部结构恢复原状，有效地控制了施工期间对既有地下结构产生的变形［1-6］。本文拟对上述两种工法进行比较，利用三维有限差分计算软件FLAC 3D软件，对北京某双矩形区间隧道密贴下穿既有地铁车站施工工程进行了全程仿真模拟。研究了两种工法下对既有地铁车站的变形受力影响，并给出了千斤顶工法下既有车站轨道结构典型的双峰形态沉降槽，为既有地铁车站的安全评估提供基础和依据。

1 工程概述

新建双矩形隧道密贴下穿既有车站结构。上层车站为单层暗挖双连拱复合衬砌结构，初衬厚度为0.35 m，二衬厚度为0.70 m，中柱的直径为700 mm，中心段间距为3.00 m。下层为两个分离矩形隧道，初衬厚度为0.35 m，二衬厚度为0.50 m，隧道宽度为6.4 m，隧道中心线距离为17 m。既有车站顶板结构的上覆土层厚14 m。

2 数值计算建模

土体模型根据弹塑性理论计算，土体材料模型采用摩尔—库仑准则。模型上边界为地表，取为自由边界，其他面均采取法向约束［7-8］。数值计算考虑自重条件下的应力场。为更好地模拟实际施工过程，在保证计算精度的前提下对模型进行合理简化。新建双矩形隧道密贴下穿车站结构模型长90 m，宽70 m，高50 m，模型图详见图1。土体和结构均采用实体单元，所用结构参数详见表1。

图1 数值模型

根据岩土勘察报告，并考虑数值计算模型要求，将场地土层性质及力学参数相似的土层进行合并，共合并成7层土，详见表2。

表1 结构参数

3 工况模拟

由于新建双矩形隧道密贴下穿既有地铁车站工程，因此采用如下两种工况进行模拟。

工况Ⅰ:注浆加固，左右线依次通长开挖，共2道步序，从而得到既有结构底板最大沉降值，见图2。

表2 土层参数

工况Ⅱ:千斤顶钢架纵向间距为1.5 m，每榀钢架设置3个千斤顶，一个洞室型钢成环后，及时对千斤顶预加顶力300 kN，按5 kN分级加载。左右线对称开挖。本次计算模型的模拟施工，横向4个导洞开挖分4道步序，纵向每个导洞开挖分3道步序，共12道工序，见图3。

图2 工况Ⅰ施工步序

图3 工况Ⅱ施工步序

4 计算结果

4.1 变形结果分析

由数值模拟可得工况Ⅰ中新建双矩形隧道，密贴下穿既有地铁车站结构初衬最大变形为6.97 mm，二衬最大变形为6.96 mm，影响范围为30 m。工况施工工序中既有结构竖向变形最大值结果汇总见表3。

表3 工况Ⅰ各施工工序中既有结构竖向变形最大值mm

工况Ⅱ中新建双矩形隧道密贴下穿既有地铁车站结构初衬最大变形为3.36 mm，二衬最大变形为2.35 mm，施工工序为12。工况Ⅱ施工工序中既有结构竖向变形最大值结果汇总见表4。

表4 工况Ⅱ各施工工序中既有结构竖向变形最大值 mm

综上所述，工况Ⅰ既有结构竖向变形大约是工况Ⅱ既有结构竖向变形的3倍，即千斤顶工法(工况Ⅱ)较注浆加固工法能更有效地控制施工期间既有车站产生的变形。

4.2 既有轨道结构变形分析

既有车站轨道中心截面的沉降槽曲线为典型的双峰形态曲线，最大值为2.2 mm(见图4)。

图4 工况Ⅱ既有车站结构变形

5 结论

本文对北京地区某双矩形区间隧道，密贴下穿既有地铁车站动态施工过程进行了数值模拟，分析了两种工况分别对既有车站结构产生的变形影响，得到以下结论:

1)工况Ⅰ中新建地铁7号线穿越车站引起既有10号线双井站主体结构在注浆加固后竖向变形最大值为6.97 mm，发生在既有暗挖段车站初衬底板;工况Ⅱ中新建地铁7号线穿越车站引起既有10号线双井站主体结构在施加千斤顶之后竖向变形最大值为2.36 mm，也发生在既有暗挖段车站初衬底板。千斤顶工法较注浆加固工法能够更有效地控制施工期间既有车站产生的变形。

2)新建地铁7号线穿越车站引起双井站主体结构沉降变形，采用千斤顶之后既有轨道结构沉降槽形态为典型的双峰形态，最大值为2.2 mm左右。

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