新建隧道密贴下穿既有地铁车站风险控制

吴志坚

(福建岩土工程勘察研究院，福建福州 350001)

新建隧道密贴下穿既有地铁线路工程风险高，对既有地铁线路扰动大，无法准确判断施工对既有线的影响程度，以及既有线的变形规律。另一方面，新建密贴下穿隧道的施工会引起既有线路轨道结构变形，增加轨道结构的不平顺性。因此，需要对新建隧道密贴下穿既有地铁线路风险控制进行研究。

以某城市地铁A号线某区间密贴下穿B号线某车站为例，采用ANSYS有限元软件进行数值模拟分析，剖析各种风险控制措施对既有车站变形的控制情况以及既有车站的变形规律，为类似工程提供参考依据。

1 工程概况

地铁A号线某车站呈南北走向，采用单柱双层双跨暗挖车站，属浅埋隧道，结构形式为复合式衬砌。车站采用中洞法施工，未设变形缝。车站东西向宽22.600m，高16.300m，中柱间距为6.8m。车站覆土层厚度约5.850m，底板埋深约22.000m。

地铁B号线某区间隧道断面尺寸为6.2m×6.7m，两条区间隧道外边缘最小间距为10.8m，与既有结构的间距为0.408m，基本密贴下穿。新建区间与既有车站相对位置关系如图1所示。

图1 新建区间与既有车站平面位置关系(单位:mm)

根据地质勘查报告资料，施工场地地层由人工堆积层和第四纪沉积的黏性土、粉土、砂土及碎石土交互而成，基岩埋深大于60m。施工场地存在四层地下水，类型分别为上层滞水、潜水、微承压水和层间水。本工程潜水稳定水位位于结构底板以上，主要含水层为透水性很好的砂卵石层;微承压水水位位于结构底板附近，暗挖法施工时，必须采取有效的控制措施，控制土层流失和周围土体变形，确保施工过程以及周边影响范围内地面和地下设施的安全。

2 施工方案

本工程密贴下穿施工采用浅埋暗挖法。由于整个既有线车站结构未设置变形缝，刚度相对较大，采取超前小导管注浆加固措施，加强中隔壁和锁脚锚杆的强度，及时封闭初衬，可以有效控制既有车站的变形。

密贴下穿隧道开挖前，注浆加固新建密贴下穿隧道与既有车站结构间的土体，注浆范围宽42m，高10m。新建密贴下穿隧道采用CRD法开挖，若开挖过程遇未加固稳定地层，隧道拱部打设单排小导管注浆加固。

3 有限元模型的建立

3.1 模型及假定

结合实际工程特点，应用ANSYS有限元软件建立地层－结构三维有限元实体模型，进行密贴下穿施工数值计算分析。在模型中，土体、既有车站结构和新建隧道结构均采用实体单元Solid45单元进行模拟。为了方便单元的划分，引用了mesh200单元。

一般来讲，浅埋暗挖隧道沿纵向开挖时对工作面前后的主要影响范围分别为1.5D和3D(D为隧道跨度)，横向主要影响范围为3D。因此，本模型的范围为沿既有线纵向100m，沿新建隧道纵向70m，深度为50m。模型计算时，土体四周及底部采用法向约束，地表为自由边界。计算模型如图2、图3所示。

图2 整体模型区域范围

进行盾构下穿既有线模拟计算时，有如下基本假定:

①土体为各向同性、均匀的理想弹塑性体，简化地表和各层土体，使其均呈匀质的水平层状分布。

②初始地应力在模型计算中只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响;忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖。模型中所选用的地层参数参照工程地勘报告中所给出的土体参数。

图3 理论分析模型

③假定既有铁路的路基与轨道结构变形一致，假定既有铁路在施工前路基及轨道结构处于良好状态。

3.2 参数取值

根据实际工程中地质勘查报告所提供的地层参数，模型中选择土体参数时，对一定深度范围内岩土类别相近的岩土体进行合并，并对土体参数进行综合取值。各项参数取值如表1所示。

表1 实体模型参数

3.3 施工过程的模拟与实现

隧道开挖的效应是通过“杀死”相应土体单元来模拟，其模拟过程:隧道开挖每一个进尺，“杀死”相应的土体模拟隧道开挖效应，然后“激活”代表衬砌实体单元的钢筋混凝土属性来模拟隧道衬砌。根据施工方案，施工模拟过程是先模拟一侧隧道施工，再模拟另一侧隧道施工，每侧的模拟工序相同。

4 施工变形模拟分析

本工程的注浆加固范围大，注浆加固工作室空间小，增加了注浆加固的难度，因此，在研究注浆加固控制既有车站变形时，首先对注浆加固后土体的强度折减为80%设计强度，再按注浆强度达到设计强度进行分析。

4.1 注浆加固未达到设计强度

根据计算结果，既有地铁车站最大的竖向变形为4.060 mm，发生在新建隧道中心线对应的既有车站底板处，方向下沉发生在工序十一;既有地铁车站结构最大的横向变形为0.958 mm，发生在新建隧道中心线对应的既有车站侧墙处，方向与新建隧道的开挖方向相反，计算所得变形云图如图4、图5所示。

图4 既有车站结构竖向变形云图

图5 既有车站结构横向变形云图

既有车站轨道结构竖向变形均为沉降变形，最大沉降值约为3.9 mm，发生在新建区间隧道中心线对应的上部既有车站轨道结构处。由于既有车站没有设置变形缝，轨道结构没有发生差异沉降。既有车站轨道每10m弦长的最大沉降值为2 mm，轨道沉降形成的最大冲击角为0.5×10－3rad。变形曲线如图6所示。

图6 轨道结构沿纵向竖向变形曲线

4.2 注浆加固达到设计强度

根据计算结果，既有地铁车站最大的竖向变形为2.772 mm，发生在新建隧道中心线对应的既有车站底板处，方向下沉发生在工序十一;既有地铁车站结构最大的横向变形为0.648 mm，发生在新建隧道中心线对应的既有车站侧墙处，方向与新建隧道的开挖方向相反。

如图7所示，随着新建密贴下穿区间隧道施工的进行，既有车站结构的竖向变形基本呈增加的趋势，前3步工序施工引起的既有车站结构的竖向变形较大，竖向变形值约为2.2 mm。随着施工的继续进行，既有车站结构的竖向变形稳定在2.2 mm，但是既有车站结构受到的影响区域不断增加;前6步工序过后，单侧区间隧道施工完毕，既有车站结构最大的竖向变形值约为2.2 mm，发生在已经施工完毕区间隧道上部的既有车站底板区域。另外一侧区间隧道施工主要引起对应的上部既有车站变形，两新建区间隧道的净距约为10m，两区间隧道施工对既有车站结构变形影响的相互叠加值较小，最大叠加值约0.5 mm。因此，既有车站结构的竖向变形约为2.7 mm，发生在首先施工的区间隧道对应的上部既有车站底板处。

图7 既有车站结构竖向变形随施工变化情况

如图8所示，既有车站结构的横向变形随着密贴下穿区间隧道的施工，先增加然后减小，最后稳定在0.5 mm。这是因为区间隧道在穿越既有车站的施工过程中，穿越前半段和后半段的土压力卸载方向相反，会相互抵消一部分卸载的土压力。

图8 既有车站结构横向变形随施工变化情况

对比图5和图6，新建密贴下穿隧道施工引起的既有车站结构的变形效应中，竖向变形效应远大于横向变形效应。因此，在施工过程中，既有车站结构竖向变形应该重点关注，特别是轨道结构的竖向变形。应加强轨道结构竖向变形的监测。

既有车站轨道结构竖向变形均为沉降变形，最大沉降值约为2.5 mm，发生在新建区间隧道中心线对应的上部既有车站轨道结构。由于既有车站没有设置变形缝，轨道结构没有发生差异沉降。既有车站轨道每10m弦长的最大沉降值为1.3 mm，轨道沉降形成的最大冲击角为0.325×10－3rad。

从以上分析可以看出，在注浆强度达到设计要求后，通过CRD施工方法，可以满足相关的道床和轨道变形控制要求。

5 结论

对地铁A号线密贴下穿既有地铁B号先某车站进行数值模拟，分析了在CRD施工方法下新建区间对既有车站及轨道结构的变形规律，得到以下结论:

①新建隧道密贴下穿工程引起既有车站的变形主要为竖向变形，横向变形很小，需要采取有效变形控制措施控制既有车站的竖向变形。

②既有车站结构没有设置变形缝时，结构刚度相对较大，变形易于控制;采用超前注浆加固新建结构与既有车站之间的土体，并采用CRD施工方法。同时，尽量减少台阶长度，早封闭初支，加强中隔壁，能够有效控制既有车站结构的变形。

③注浆加固质量是控制既有车站变形的关键，研究结果表明，注浆质量达不到设计的要求，会引起既有车站产生较大变形。因此，隧道开挖前应对注浆加固质量进行检测，未达设计要求，应进行二次补浆。

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