隧道穿越工程对既有车站沉降影响分析

李 磊，万 文

(湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭市 411201)

隧道穿越工程对既有车站沉降影响分析

李 磊，万 文

(湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭市 411201)

随着地铁建设的发展，隧道施工下穿既有线路结构的现象越来越多。由于地铁隧道的开挖，会引起附近结构或周边建筑发生变形，对这类工程风险和沉降进行合理的预测和评估是十分必要的。武汉地铁6号线下穿2号线常青花园站预埋段工程是在既有地铁车站下方采用矿山法施工的地铁区间隧道，通过对隧道开挖引起的既有车站结构变形数据和地表沉降数据进行分析，得出沉降曲线参数的取值，并分别考虑结构刚度、隧道埋深等对既有车站结构沉降的影响。

隧道；既有结构；沉降槽

0 引 言

从空间位置来看，新建地铁穿越工程分为上穿、下穿、侧穿，其中难度最大、风险最高的为下穿工程，本文以武汉地铁6号线下穿2号线常青花园站预埋段工程为背景，在了解现场调查的基础上，对既有2号线车站结构底板的沉降监测资料进行分析沉降，为今后相似工程提供一定的依据。

1 工程概况

武汉市轨道交通6号线常青花园站-工业学院站区间沿常青花园中路下穿地铁2号线常青花园站。常青花园站位于常青花园的花园中路北侧，与花园中路斜交。车站长194.3 m，宽18.9 m，，基坑底部位于粘土层和粘土夹粉土、粉砂层中，总体建筑面积8931.3 m2。车站为地下一层岛式站台，地面为车站站厅房屋。

本工程为6号线下穿2号线常青花园站预埋段工程。右线矿山法暗挖区间隧道里程为右K0+115.000～右K0+167.550，长为52.550 m；左线矿山法暗挖区间隧道里程为左K0+115.000～左K0+181.000，长66.000 m，如图1所示。隧道与上部车站结构二者之间的净距为6.526～6.626 m。隧道左、右线所处地层为：层粘土夹粉土、粉砂、粉细砂混粘性土、小砾石、粉细砂混粘性土、砾卵石。

图1 新建6号线隧道与既有2号线车站的平面位置

2 既有结构沉降分析

2.1 天然地表沉降分布特性

Peck教授在对大量隧道施工引起的隧道横向沉降进行了一系列分析，提出了天然地表沉降曲线,一般习惯称之为“沉降槽”，可以通过Peck公式来描述[1]：

(1)

式中：s为地面上任一点的沉降值；A为隧道的开挖面积；y为从隧道中心对应的地面点到所计算点的距离；V1为地层损失率，即地表沉降槽面积与隧道开挖面积A之比，主要与工程所在地地质情况、水文地质情况、隧道施工方法、施工技术以及工程管理经验等因素有关；i为从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离，一般称之为沉降槽宽度。

2.2 既有结构沉降分析

图2给出了既有地铁车站结构左右线累计沉降曲线，从图2所示的实测曲线可以看出，地铁车站底板结构的变形呈现出和天然地表沉降类似的沉降规律，既有线结构纵向上的沉降分布大致呈现出沉降槽的样子，隧道左右线的最大沉降分别为-17.06 mm和-13.71 mm，但是可以看出最大沉降位置一个是在562测点附近，而另外一个则是在573测点附近。结合监测点位布置情况，可以发现，沉降最大处均位于新建双向隧道的中隔部分，因此，对于本工程，可以考虑距离新建较近的两条隧道引起的车站底板沉降大体与等效半径为R[2]的单体隧道引起的沉降相当。等效半径R可以表示为：

用实验方法分析待测纯铜样品中Fe、Zn、As、Sn、Sb、Pb、Bi，平行测定6次。根据各元素丰度和基体元素的信号值，用归一化法计算出各元素的含量并用表2所得的相对灵敏度因子进行校正，结果见表4。由表4可知，测得结果的相对标准偏差(RSD，n=6)为6.6%～26%。

R=r+d/2

(2)

式中：r为新建隧道隧道半径；d为两条隧道的净距。

如果采用一般的Peck沉降公式来计算，会发现跟实测曲线有很大的出入，根据普通沉降Peck公式，可以估算到普通Peck公式计算的最大沉降值远远大于实际测量值，而采用高斯公式来拟合实测沉降曲线，则可以得到一个较为吻合的结果,拟合曲线的部分参数见表1。

表1 高斯函数拟合曲线的部分参数

注：z0为新建隧道埋深，z为既有结构沉降处埋深，smax为最大沉降值，K为沉降槽宽度参数。

3 既有结构沉降影响因素分析

3.1 隧道埋深对既有结构的影响

一般来说，不同埋深的同类型隧道对于周边结构物的影响程度是不一样的。韩煊等人基于Mair等人的一系列研究，提出了修正的Mair，可以考虑到既有隧道结构埋深的影响程度。该公式的一般表达式为[3]：

(3)

式中：a为考虑土层土质情况的参数，取值范围为0～1。由于本工程所处地层主要为黏土层，在没有其他地区的情况下，可以取为0.65。

对于本工程,由式(3)可以得出，隧道埋深对于隧道沉降槽宽度系数K的修正值为2.1。

3.2 既有车站结构刚度对沉降的影响

由表1可以发现,K值分别达到了1.09和1.35。但是天然地表沉降槽宽度参数一般在0.3～0.6[5]之间，K值较天然地表情况有了明显增大。可以看出，尽管既有结构物与地层之间的作用关系繁杂，沉降机理十分复杂，但是仅从既有结构的沉降结果监测情况来看，基本还是符合高斯分布特征曲线，其与一般天然地表沉降的Peck公式的主要区别在于既有车站结构刚度影响了沉降槽宽度系数K。但是其中具体的沉降影响程度还有待进一步的研究。

3.3 施工状况对沉降的影响

本工程主体采用CRD法开挖，结构拱部设置超前大管棚，采用非开挖铺管技术在横通道内施作，需在横通道钢格栅中预埋套管；管棚选用Φ159的热轧钢管，t=10 mm，外插角1°～2°,环向间距0.3 m，钢管内灌注水泥砂浆；管棚间插小导管，环向间距0.3 m，与管棚间隔布置，第一组间插超前小导管在横通道内施作。小导管选用Φ42 mm的热轧钢管，t=3.5 mm，长度3.5 m，外插角5°～15°，每两钢格栅打设一排，管壁每隔100～200 mm交错钻眼，眼孔直径6～8 mm。注浆浆液优先选用水泥-水玻璃双浆液，浆液配合比应由现场试验确定，并根据围岩条件控制好注浆压力(0.5～0.8 MPa)，要求加固体直径不小于0.5 m。为防止浆液外漏，必要时可在孔口处设置止浆塞。

从表1中可以看出，左、右线高斯拟合出来的地层损失率均较大，这是由于本工程所影响地层主要是强度低的粘土和淤泥层，且采用人工开挖，开挖后未能及时支护，因而地层损失较大。而右线相对于左线地层损失率变化较为明显，且右线最大沉降值较左线最大沉降值增大了3.35 mm，究其原因，在新建隧道开挖过程中，首先通过的是既有地铁结构的右线，在通过的过程中，新建隧道右线发生隧道小股漏水现象，持续约2周左右，导致施工停滞，在此期间，漏水现象一直存在，且未及时采取相关措施处理，导致既有车站结构右线地层损失率明显大于左线，从而造成既有结构右线沉降较左线较大。

3.4 既有车站结构和新建隧道夹角对沉降的影响

本工程新建隧道与既有车站结构存在一定的夹角，所以需要考虑地层损失率的修正。存在一定夹角的沉降槽仍是高斯分布，但是地层损失率相对于垂直的情况会有所不同，考虑到夹角的地层损失率修正系数λα，可以由下面的公式[4]得出：

本工程中隧道之间的夹角为48.03°，即夹角影响下的地层损失修正值λα为1.49。

(4)

4 结 论

就目前来说，全国地铁建设进入了一个繁荣期，新建隧道下穿既有结构的情况时有发生。本文以武汉地铁6号线下穿2号线常青花园站预埋段工程为背景，结合既有2号线车站结构的沉降监测资料，得出以下3条结论。

(1) 尽管穿越工程施工过程繁杂，施工工艺要求高，各种影响因素较多，但是可以发现，既有地铁车站结构受下部隧道施工影响下的沉降曲线还是符合高斯函数分布，相对于Peck公式的改变仅仅只是一些参数取值上的不同，总的形式还是与Peck公式沉降槽形式较为吻合。

(2) 在穿越工程，应特别注意施工方法的选取以及对于现场情况的及时处理，遇突发状况及时采取有效的处理措施对于地表沉降有较大控制作用。

(3) 穿越工程中，对既有结构沉降值影响的因素较多，各个因素对于沉降值的影响程度也不尽相同，本文通过对各类因素的分析，得出影响本工程沉降曲线的一些因素的影响程度，为今后的此类工程提供了一定的借鉴作用。

[1] Peck R B. Deep excavations andtunneling in soft ground [C]//Proceedings of the 7th International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico,1969:225-290

[2] 金平贵. 已建地下商业街结构与下部地铁隧道施工相互影响分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009

[3] 韩 煊,李 宁,standing J R. 地铁隧道施工引起地层位移规律探讨[J]. 岩土力学，2007，28(3)：609-613.

[4] 韩 煊,刘赪炜,Jamie R,Standing. 隧道下穿既有线的案例分析与沉降分析方法[J]. 土木工程学报,2012(01):134-141.

[5] 韩 煊,李 宁,J.R.Standing. Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J]. 岩土力学,2007(01):23-28，35.

2013-09-17)