盾构下穿北京地铁13号线望京西站站房基础变形及数值分析

张文正

(广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010)

0 引言

近年来，随着城市地铁的发展，地铁区间隧道下穿既有构筑物的情形越来越多。如深圳地铁5号线工程穿越广深高速公路立交桥［1］，南水北调团城湖至第九水厂北京段输水工程盾构下穿地铁13号线清河高架桥［2］，上海地铁2号线人民公园站—河南中路站上、下行线区间盾构隧道在地铁1号线运营隧道下方通过［3］。

针对盾构隧道下穿施工对既有构筑物的影响，许多学者和专家都进行了研究。郭庆昊等［4］以盾构下穿北京地铁4号线宣武门车站为例，分析了车站底板的受力、变形和稳定性情况，以及盾构施工对上层车站结构、地表的竖向沉降和整体安全性的影响;王法等［3］以北京某盾构隧道接近下穿既有车站为例，采用三维有限差分计算软件FLAC进行了数值模拟，预测盾构隧道施工后既有地铁车站的变形，为临近既有车站的安全评估工作提供了依据;在盾构隧道施工引起既有结构和地表位移的研究中，以美国科学家Peck于1969年提出的高斯方程［5－6］最为简便，也是目前运用最广泛的方法。但是，这些学者和专家只是从宏观角度对既有车站结构进行了分析，未从微观角度对轨道结构，特别是对钢轨位移进行分析;而且，他们所作的研究也没有相应的监测数据作为支撑。

本文结合北京地铁15号线关庄站—望京西站区间盾构隧道下穿既有13号线望京西站站房基础的工程实例，运用ANSYS有限元分析软件建立三维有限元仿真模型［7－8］。从微观角度分析盾构穿越过程中既有13号线望京西站站房基础结构、相邻基础间的差异沉降和轨道结构的变形规律;结合既有结构的监测数据，验证有限元分析软件的正确性，并判断既有结构的安全性及运营状况。

1 工程概况

新建北京地铁15号线关庄站—望京西站盾构区间为双线盾构隧道，盾构外径为6 m，内径为5.4 m，厚度为0.3 m，环片宽度为1.2 m，埋深约为12 m。2条隧道中心线之间的距离为12.73～15.22 m，平面线型为曲线，右线圆曲线半径R=800 m，与既有13号线望京西站站房基础之间的净距为8.5 m。新建工程与既有望京西站平面图如图1所示。

图1 新建工程与既有望京西站平面图(单位:m)Fig.1 Plan sketch of shield-bored tunnel and existing Wangjingxi station(m)

盾构隧道穿越前对土体进行注浆加固，减小施工对既有结构的影响。注浆加固范围为:盾构顶板以上2 m、横断面3 m范围内的土体，长度为34.4 m，如图2所示。

根据北京地铁15号线一期工程关庄站—望京西站区间岩土工程勘察报告(以下简称“地勘报告”)，盾构穿越处地层如图3所示。

图2 注浆加固范围(单位:mm)Fig.2 Scope of grouting reinforcement(mm)

既有北京地铁13号线望京西站站房为地上2层框架结构，基础为柱下独立基础，基础总宽度为33.8 m，由5 排基础组成，宽度依次为 4.4，6.1，5.6，6.1，4.5 m，它们之间的净距依次为3.5，2.45，2.45，3.5 m，基础底板埋深约为4 m。站内轨道为C30混凝土整体道床，道床底板埋深约为1.365 m。站房基础纵断面如图4所示。

2 数值计算模型

2.1 模型参数的选取

根据地勘报告可知，注浆加固范围内土层主要为粉质黏土和粉细砂，注浆压力控制在0.2～0.5 MPa。注浆后各地层参数如表1所示，新建盾构隧道和既有望京西站站房基础的技术参数如表2所示。

2.2 计算模型的范围

本次计算采用ANSYS有限元分析软件，建立地层－结构三维实体模型［6］。根据盾构施工的影响范围，模型长度取130 m，宽度取80 m，高度为重力方向，取50 m。模型中包括既有13号线望京西站站房基础、道床结构、土体、注浆加固土体和新建盾构隧道，周围土体(包括注浆加固区域)和既有站房基础采用Solid45实体单元，盾构管片采用Shell63壳单元。模型顶面为地面，受重力作用，取自由边界，不进行约束［7］。整体计算模型如图5所示。

图3 盾构穿越处地层(单位:m)Fig.3 Geological conditions(m)

图4 站房基础纵断面图(单位:mm)Fig.4 Longitudinal profile of foundation of existing Metro station(mm)

表1 土层参数表Table 1 Geotechnical parameters

表2 盾构、站房基础和道床的技术参数表Table 2 Technical parameters of shield-bored tunnel，existing Metro station foundation and existing track

图5 整体计算模型(单位:m)Fig.5 Calculation model(m)

站房基础上部结构荷载被简化为以重力的形式均匀地分布于地面，按照《北京市地铁运营有限公司企业标准－技术标准/工务维修规则QB(J)/BDY(A)XL003—2009》的规定，均布荷载的大小为20 kPa［9］。站房基础与注浆土体、盾构的位置关系如图6所示。

图6 新建结构与既有结构相对位置关系Fig.6 Relationship between shield-bored tunnel and existing structure

2.3 施工模拟工序

新建北京地铁15号线关庄站—望京西站盾构区间隧道的施工方向从关庄站始发，到达望京西站，先掘进右线，再掘进左线。施工模拟工序分为10步进行，前5步模拟右线盾构隧道施工，掘进长度分别为20.4，14.4，9.6，14.4，20.4 m;后5 步模拟左线盾构隧道施工，掘进长度分别为 20.4，14.4，9.6，14.4，20.4 m。盾构隧道施工方向如图7所示。

图7 盾构隧道施工方向示意图Fig.7 Shield tunneling direction

3 有限元计算结果及分析

新建15号线关庄站—望京西站区间盾构隧道施工前，对盾构隧道周围一定范围内的土体进行了注浆加固。为了解注浆加固的作用，运用数值分析比较未注浆和注浆2种工况下既有结构的变形。既有结构包括混凝土整体道床、钢轨和站房基础，整体道床与钢轨示意图如图8所示。

图8 整体道床与钢轨示意图Fig.8 Monolithic track bed and rails

3.1 混凝土整体道床变形结果

根据数值分析计算结果可知，在土体未注浆和注浆2种工况下，右线盾构和左线盾构施工完成后道床结构的累计竖向变形值和累计横向变形值如表3所示。

表3 2种工况下道床结构变形Table 3 Deformation of track bed under the condition of grouting reinforcement and non grouting reinforcement mm

3.1.1 未注浆状态下道床结构的变形

未注浆状态下左、右线道床结构竖向变形和横向变形云图如图9和图10所示。

图9 未注浆状态下右线盾构施工完成后道床结构变形云图Fig.9 Contour of deformation of track bed after the construction of the right shield-bored tunnel tube is completed under the condition of non grouting reinforcement

图10 未注浆状态下左线盾构施工完成后道床结构变形云图Fig.10 Contour of deformation of track bed after the construction of the left shield-bored tunnel tube is completed under the condition of non grouting reinforcement

由图9和图10可知:累计竖向变形最大值发生在盾构穿越中心对应的道床处，横向变形以穿越中心为对称轴呈反对称分布规律，道床两端变形最大，方向相反，数值相差不大。

为便于直观地了解道床结构的变形规律，将研究未注浆状态下道床中线的变形，其变形曲线见图11。

3.1.2 注浆状态下道床结构的变形

注浆状态下左、右线道床结构竖向变形和横向变形云图如图12和图13所示。道床中线变形曲线如图14所示。

图11 未注浆状态下盾构施工后道床中线变形曲线Fig.11 Curves of vertical deformation along center line of track bed after the construction of the shield-bored tunnel is completed under the condition of non grouting reinforcement

图12 注浆状态下右线盾构施工完成后道床结构变形云图Fig.12 Contour of deformation of track bed after the construction of the right shield-bored tunnel tube is completed under the condition of grouting reinforcement

图13 注浆状态下左线盾构施工完成后道床结构变形云图Fig.13 Contour of deformation of track bed after the construction of the left shield-bored tunnel tube is completed under the condition of grouting reinforcement

图14 注浆状态下盾构施工后道床中线变形曲线Fig.14 Curves of vertical deformation along center line of track bed after the construction of the shield-bored tunnel is completed under the condition of grouting reinforcement

3.2 钢轨变形规律

为便于研究盾构施工过程中钢轨的变形规律，在13号线左线钢轨1上选取特征点，分别为工程穿越中心、左线盾构和右线盾构穿越中心与既有13号线钢轨1的交点，如图15所示。15号线盾构隧道在掘进过程中，既有13号线钢轨会产生一定振动，甚至会出现变形。

3.2.1 未注浆状态下钢轨的变形

未注浆状态下，盾构施工时钢轨的竖向变形曲线如图16所示。

由图16可知，钢轨沉降量随着盾构的推进不断增大，在管片推进至第50环和第140环左右时，钢轨的沉降速率达到最大，左线穿越完成后，钢轨的沉降趋于稳定，大约稳定在6.4 mm。

未注浆状态下，盾构施工时钢轨的横向变形曲线如图17所示。

图15 选取的钢轨特征点Fig.15 Characteristic points of rail selected

图16 未注浆状态下盾构施工时钢轨竖向变形曲线Fig.16 Curves of vertical deformation of rail when the shield is boring under the condition of non grouting reinforcement

图17 未注浆状态下盾构施工时钢轨横向变形曲线Fig.17 Curves of transverse deformation of rail when the shield is boring under the condition of non grouting reinforcement

由图17可知，右线盾构施工时，钢轨横向变形呈“V”型;左线盾构施工时，钢轨横向变形呈“W”型。当管片推进至第50环和第140环左右时，钢轨的2次横向变形达到最大值，分别为0.775 mm和1.1 mm;此时，盾构正好处于穿越中心位置处，对钢轨的影响最大。

3.2.2 注浆状态下钢轨的变形

注浆状态下，盾构施工时钢轨的竖向变形曲线如图18所示。

由图18可知，钢轨在盾构施工过程中的竖向位移变化规律与未注浆状态相似，但达到最终状态时的沉降值变小，大约为2.8 mm。

注浆状态下，盾构施工时钢轨的横向变形曲线如图19所示。

由图19可知，钢轨在盾构施工过程中的横向位移变化规律与未注浆状态相似，但达到最终状态时的变形值变小，大约为0.75 mm。

图18 注浆状态下盾构施工时钢轨竖向变形曲线Fig.18 Curves of vertical deformation of rail when the shield is boring under the condition of grouting reinforcement

图19 注浆状态下盾构施工时钢轨横向变形曲线Fig.19 Curves of transverse deformation of rail when the shield is boring under the condition of grouting reinforcement

3.3 望京西站站房基础变形结果

既有北京地铁13号线望京西站站房为地上2层框架结构，基础为柱下独立基础。为分析盾构施工对站房结构的影响，将站房基础的最终沉降和相邻基础间的最大差异沉降作为考察指标。土体注浆和未注浆状态下站房的变形结果如表4所示，站房基础最终状态变形云图如图20所示。

表4 既有站房基础变形结果Table 4 Deformation of foundation of existing Metro station mm

图20 站房基础最终状态变形云图Fig.20 Contour of final deformation of foundation of existing Metro station

3.4 本章小结

3.4.1 基本结论

在土体注浆和未注浆状况下，既有结构最终状态的变形结果如表5所示。

表5 既有结构的变形结果Table 5 Deformation of existing structures mm

由表5可知，对盾构周围土体进行注浆加固之后，盾构施工引起既有结构的变形明显减小，注浆加固效果非常显著;且在注浆加固状态下，钢轨的最大竖向变形值为2.8 mm，最大横向变形值为0.75 mm，对轨道采取防护措施能保证地铁的安全运营。施工对线路的影响范围为:自穿越中心沿13号线轨道方向向两侧各外延40 m。

GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中，有关建筑物地基变形允许值的规定如表6所示［10］。根据既有13号线望京西站资料，站房基础为地上2层框架结构，相邻基础最小中心距离为5.265 m，且站房基础处地基是中、低压缩性土，根据规范［10］，相邻基础间最大沉降差允许值为10.53 mm;而根据数值计算，在土体注浆加固状态下，相邻站房基础间的最大差异沉降为1.145 mm。因此，在正常施工条件下，采取严格的监测措施，能保证既有望京西站站房基础的安全。

表6 建筑物的地基允许变形值Table 6 Allowed deformation of foundation base of existing Metro station m

3.4.2 控制指标

监测控制指标的制定应依据其他类似工程经验和现场监测数据［11］。在综合考虑ANSYS三维有限元分析计算、《北京市地铁运营有限公司企业标准－技术标准/工务维修规则 QB(J)/BDY(A)XL003—2009》和北京市地铁运营有限公司对于下穿地铁工程列车安全运营的有关规定，确定既有13号线望京西站结构变形的控制值，并将控制值的80%作为报警值，70%作为预警值。既有13号线望京西站地铁结构的变形控制值如表7—11所示。

表7 站房基础结构差异沉降变形控制值Table 7 Control value of differential settlement of foundation of existing Metro station mm

表8 轨道结构变形控制值Table 8 Control value of deformation of track structure mm

表9 单线穿越后轨道结构沉降变形控制值Table 9 Control value of settlement of track structure after the construction of one single shield-bored tunnel tube is completed mm

表10 轨道结构变形速率控制值Table 10 Controll value of deformation rate of track structure mm/d

盾构施工前，需对土体进行注浆加固，注浆时有可能会引起轨道结构上浮，因此，需要控制好注浆压力。既有结构注浆上浮控制值如表11所示。

表11 注浆加固施工轨道结构变形控制值Table 11 Control value of deformation of track structure caused by grouting reinforcement mm

4 监测数据分析

4.1 监测内容与方法

本工程施工监测内容主要包括既有望京西站站房基础及扶梯结构竖向变形、站房基础结构差异沉降、轨道结构竖向变形监测及几何形位的检查。采用人工监测和自动化监测相结合，以自动化监测为主，人工监测为辅的监测方法［12－13］。本工程监测项目如表12和表13所示。

表12 望京西站站房基础结构监测项目Table 12 Monitoring items of foundation of Wangjingxi station

表13 轨道结构监测项目Table 13 Monitoring items of track structure

13号线望京西站车站站房及扶梯结构竖向变形共布63个测点，轨道结构竖向变形共布64个测点。

4.2 监测结果分析

监测结果是在对土体进行注浆加固措施后得到的，主要包括站房及扶梯竖向位移、基础结构差异沉降和轨道结构的竖向位移。

4.2.1 望京西站站房及扶梯结构竖向监测

竖向变形时程曲线如图21和图22所示。

由图21和图22可知:望京西站站房基础和扶梯结构的最大竖向变形值可达到4 mm，相邻站房基础结构的最大差异沉降控制在5 mm之内，既有站房和扶梯结构是安全的。

4.2.2 望京西站站房基础结构差异沉降监测

由北京地铁15号线一期工程关庄站—望京西站下穿既有地铁13号线望京西站站房结构差异沉降监测可知，相邻基础间结构最大累计变化量为1.7 mm，此变化量在相邻基础差异沉降控制值(5 mm)之内。

图21 西站房及扶梯结构竖向变形时程曲线(2012—2013年)Fig.21 Vertical deformation of west foundation and escalator vs.time(from 2012 to 2013)

图22 东站房及扶梯结构竖向变形时程曲线(2012—2013年)Fig.22 Vertical deformation of east foundation and escalator vs.time(from 2012 to 2013)

4.2.3 轨道结构竖向监测

竖向变形时程曲线如图23和24所示。

由图23和图24可知:在2013年4月15日前，盾构隧道施工引起轨道结构的竖向变形基本控制在2 mm之内，未达到轨道结构变形的预警值;在2013年4月15日后，盾构隧道施工引起轨道结构的竖向变形接近4 mm，超过了轨道结构的控制值(3 mm)。轨道结构竖向变形产生突变的原因是由于盾构的超挖时间过长，导致土体应力释放过大，造成盾构整体姿态下沉，从而使轨道结构的沉降产生突变。

图23 下行轨道结构竖向变形时程曲线(2012—2013年)Fig.23 Vertical deformation of down-line track structure vs.time(from 2012 to 2013)

图24 上行轨道结构竖向变形时程曲线(2012—2013年)Fig.24 Vertical deformation of up-line track structure vs.time(from 2012 to 2013)

4.2.4 数值模拟结果与监测数据的对比和分析

在土体注浆加固的情况下，ANSYS有限元分析软件计算得出的既有结构竖向变形结果与监测结果比较如表14所示。

表14 有限元分析软件计算结果与监测结果比较Table 14 Comparison and contrast between finite element analysis results and monitoring results mm

由表14可知，ANSYS有限元分析软件与实际监测结果相差不大，保证了ANSYS有限元分析软件的正确性。若在盾构隧道施工过程中采取严格的监测措施，并及时纠偏既有发生的较大变形，才能保证穿越工程的安全和顺利实施。

5 结论与体会

在土体注浆加固和未注浆加固2种工况下，对盾构下穿13号线望京西站站房基础施工进行了模拟计算，可以得出以下结论。

1)随着盾构向前掘进，土体卸载引起土体应力释放，使既有望京西站站房基础和轨道结构都产生了一定程度的变形。通过对盾构与站房基础间的土层进行注浆加固，能明显减小盾构施工引起既有结构的变形。

2)在盾构推进过程中，既有站房基础和轨道结构的沉降值随着盾构推进会逐渐变大;当盾构位于既有结构正下方时，沉降速率达到最大。

3)对盾构上方土体采取注浆加固的措施，盾构施工时，既有结构的变形值较小。若在正常施工条件下，对既有结构采取严格的监测措施和应急措施，隧道施工就能够保证既有结构的安全和正常运营。

本文的研究成果对今后盾构隧道下穿既有构筑物，特别是车站，具有一定的指导和借鉴意义。然而，由于对ANSYS有限元软件知识的欠缺，故未对土仓压力造成工作面前方土体及结构的隆起值进行模拟;且本文只对注浆加固这一种施工方法进行了模拟计算和分析，未对其他加固措施(如桩基托换技术等)进行分析。因此，本文的研究存在一定的局限性，有待后续技术人员不断改进，并进行更深层次的研究。

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