新建地铁线路下穿既有车站的仿真模拟分析

李清菲

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津　300133)



新建地铁线路下穿既有车站的仿真模拟分析

李清菲

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津300133)

摘要：以青岛某即将修建的线路下穿既有车站为例，利用有限元软件对地铁结构进行数值模拟分析，研究在硬岩地区，新建线路采用型钢格栅密贴下穿及采用CRD法近距离下穿2种方案引起的既有站底板位移变化的规律。主要结论如下： 1)为了避免应力集中，下穿线路应尽量避免布置在既有线中柱下方。2)随着2条线路轨面标高距离的增加，开挖引起的既有线底板沉降及最大、最小主应力逐渐减小，当2条线路之间的净距达到3 m左右时，引起的底板沉降仅0.9 m左右，为密贴下穿的14.5%；最大、最小主应力为密贴下穿的75%左右。3)施工时应加强监控量测，必要时进行换撑施工线路二次衬砌。

关键词：地铁车站； 密贴下穿； 近距离下穿； 数值模拟； 地铁区间隧道

0引言

近年来，随着城市轨道交通的发展，城市地下空间利用率在逐步增加，新建线路需下穿既有线路的情况越来越多[1-3]。下穿施工，不可避免会引起上部既有结构产生沉降及应力增加，严重时，甚至会带来结构安全隐患，影响既有线路运营安全[4-7]。一般新建线路下穿既有车站的设计思路为保证结构间有一定安全距离，以减小隧道开挖时既有车站底板的沉降变形，但随着安全距离的增大，带来的不利情况也显而易见。如换乘高度的增大及新建线路出入口提升高度的增加等。因此，新建车站下穿既有车站时，必须采取合理方案，在确保既有车站安全运营的情况下，最大限度地满足车站在功能使用上的要求。

在施工前，对下穿工程进行模拟分析和预测，可以有效地分析既有结构变形趋势和施工引起的位移与应力的变化，有利于确保既有结构的安全。随着下穿工程的增多，下穿施工的模拟分析已经成为一个重要的课题。如采用“零距离”密贴式下穿[8-12]，或者“CRD”法近距离施工下穿[13-15]等。但以往的研究，一般只针对一种下穿模式进行分析，对于密贴下穿与近距离下穿2种工法的对比研究较少。本文主要通过数值模拟分析的方法，将2种下穿模式对既有线路沉降的影响进行分析比较。

1工程概况

本文以青岛地区某即将修建的下穿线路为例，既有车站为明挖法施工的双层三跨矩形断面，断面宽20.8 m，高14.7 m，车站长196 m，有效站台宽度为12 m，长度为120 m。车站顶、底板厚度为900 mm，车站底板位于中风化花岗岩内。

新建车站考虑2种下穿方案。方案1： 新建车站采用双矩形隧道密贴下穿既有车站，采用分离岛式站台及十字换乘方案，结构初期支护厚度为0.35 m，二次衬砌厚度为0.7 m，单洞宽度为12.65 m，高9.4 m，两洞间净距为22.35 m(如图1所示)。方案2： 新建车站采用双马蹄形隧道近距离下穿既有车站，采用T型换乘方案，结构初期支护厚度为0.3 m，二次衬砌厚度为0.5 m，单洞宽度为7.1 m，高7.25 m，两洞间净距为9.9 m，距离既有车站底板距离2.9 m(如图2所示)。

图1　双矩形隧道密贴下穿既有车站(单位： m)

Fig. 1Case 1: double rectangular tunnels passing closely underneath existing Metro station(m)

2数值计算建模

在既有车站下方新建隧道，会对既有车站带来不同程度的影响，在开挖过程中会造成周边地层和既有车站产生变形及应力集中，严重者会造成既有车站不均匀沉降、开裂影响既有线路的安全运营。因而，需对新建隧道下穿既有车站的影响进行分析。

本文运用MIDAS GTS软件对下穿既有车站所产生的影响进行分析。共建立2种不同工况下的模型，其中包括： 1)双矩形隧道密贴下穿既有车站。2)双马蹄形隧道近距离下穿既有车站。

图2　双马蹄形隧道近距离下穿既有车站(单位： m)

Fig. 2Case 2: double horseshoe-shaped tunnels passing underneath adjoining existing Metro station(m)

结构模型采用弹性理论设计，土体采用摩尔-库仑准则。模型上边界为自由边界的地表，左右边界采用水平约束，底边界采用水平加竖向约束。模型尺寸为233 m×51 m×35 m(分别为x、y、z方向)，既有车站轴线沿Y轴方向，新建车站轴线沿Z轴方向，计算模型如图3和图4所示，地层参数及结构参数如表1和表2所示。

图3　密贴下穿既有车站数值计算模型图

图4　近距离下穿既有车站数值计算模型图

岩土分层岩土名称厚度/m重度/(kN/m3)等效内摩擦角/(°)土的静止侧压力系数泊松比弹性模量/GPa①杂填土5.317.5150.005⑨中粗砂1.319.5350.390.300.006上强风化花岗岩上亚带3.522.5450.390.280.5中强风化花岗岩中亚带6.523.0450.390.280.5下强风化花岗岩下亚带2.723.5450.390.280.5中风化花岗岩31.724.5550.330.255.0

表2　结构参数表

3工况模拟

方案1施工工序描述如图5所示。

图5　密贴法下穿既有车站施工工序图

方案2施工工序描述如图6所示。

图6　近距离下穿既有车站施工工序图

本文采用图5和图6的施工步序进行下穿线路的分步施工模拟。锚杆及型钢支撑采用梁单元模拟、初期支护采用壳单元模拟、二次衬砌及地层结构采用实体单元模拟。通过钝化各个导洞的方式模拟开挖。

待施工完下穿段隧道二次衬砌结构，结构强度达到设计要求后，再施工台台换乘通道，换乘通道采用CD法施工。

4结果分析

密贴法和近距离下穿施工竖向位移云图如图7和图8所示。下穿隧道施工后既有线底板竖向位移曲线如图9所示。

图7　密贴法施工后竖向位移云图(单位： mm)

2种工法在下穿隧道施工完成后，所引起的既有车站底板的最大位移均出现在隧道拱顶中部附近，密贴法引起的最大沉降值约6.18 mm，近距离下穿引起的最大沉降值约0.9 mm，为密贴法沉降的14.5%。

台台换乘通道施工后密贴法施工竖向位移云图见图10，台台换乘通道施工后近距离下穿施工竖向位移云图见图11，台台换乘通道施工后既有线底板竖向位移曲线见图12。

图8　近距离下穿施工竖向位移云图(单位： mm)

图9　下穿隧道施工后既有线底板竖向位移曲线

Fig. 9Curves of vertical displacement of floor of existing Metro station after running tunnel construction

图10　台台换乘通道施工后密贴法施工竖向位移云图(单位： mm)

Fig. 10Contour of vertical displacement after transfer tunnel construction in Case 1 (mm)

图11台台换乘通道施工后近距离下穿施工竖向位移云图(单位： mm)

Fig. 11Contour of vertical displacement after transfer tunnel construction in Case 2 (mm)

图12　台台换乘通道施工后既有线底板竖向位移曲线

Fig. 12Curves of vertical displacement of floor of existing Metro station after transfer tunnel construction

在台台换乘通道施工完成后，密贴法所引起的既有车站底板的最大位移还是在隧道拱顶中部附近，最大沉降值约6.18 mm，但近距离下穿引起的既有车站底板位移的最大沉降值出现在换乘通道的中间位置，最大沉降值约1.01 mm，为密贴法沉降的16.3%。

密贴施工各步骤引起的既有线底板竖向位移曲线见图13，近距离施工各步骤引起的既有线底板竖向位移曲线见图14。

图13　密贴施工各步骤引起的既有线底板竖向位移曲线

Fig. 13Curves of vertical displacement of floor of existing Metro station caused by different construction steps in Case 1

图14　近距离施工各步骤引起的既有线底板竖向位移曲线

Fig. 14Curves of vertical displacement of floor of existing Metro station caused by different construction steps in Case 2

由图13和图14可以看出，在拆撑时引起的既有线底板沉降较前一施工步骤增长较大，故在施工时，应加强监控量测，必要时进行换撑施工二次衬砌。

图15和图16给出了2种工法开挖后结构的最大、最小主应力云图。由图可以看出： 密贴法施工引起的压应力为3 459 kPa，拉应力为667 kPa；近距离施工引起的压应力为2 602 kPa，拉应力为539 kPa，为密贴法的75%。由此可见，采用近距离施工时，拉、压应力均小于密贴法施工引起的应力值。因此，在修建新建线路下穿既有车站时，建议采用近距离下穿施工。

图15　密贴法施工后结构最大、最小主应力云图(单位： Pa)

Fig. 15Contour of maximum and minimum principal stresses of structure in Case 1(Pa)

图16　近距离施工后结构最大、最小主应力云图(单位： Pa)

Fig. 16Contour of maximum and minimum principal stresses of structure in Case 1 (Pa)

5风险控制措施

下穿工程，在施工过程中，不仅存在本身的施工风险，而且对既有线路也存在风险问题，故在设计时要严格进行风险控制。

风险处理的原则是： 降低风险、科学施工、信息设计、应急预案。处理流程及要求如下。

1)对于风险源，应首先进行评估，确定现状结构的受力和变形承载能力，给出剩余的承载力和变形控制标准；根据地铁施工方法、地层条件、施工水平，设计时对施工引起的结构变形进行预测。

2)根据预测结果、评估标准，采取相应的施工加固措施，加固措施要满足技术先进、安全可靠、经济合理、操作简单的要求；设计阶段要制定每个施工阶段的允许变形标准、预警值、报警值。

3)要进行专门的监控量测设计，做到信息化设计，同时要制定工后监测的时间和内容要求；要有一套可操作、又经济的应急施工预案，确保每一步现状结构与地铁施工的安全；要考虑施工后沉降的预防措施。

对于下穿工程可能存在的风险，应做到以下几点。

1)下穿段主体爆破采用静态破碎，及时设置初期支护及支撑，尽快封闭成环。

2)施工二次衬砌时采用跳槽法施工，及先拆除3～5 m底部临时支撑，施作防水层，根据施工监控量测结果，必要时进行换撑施作底板，待二次衬砌封闭成环后，再拆除下段支撑，施工二次衬砌结构。

3)施工中及时对既有结构及周边建筑物进行监测，必要时加强车站支护措施。

4)既有线路道床为素混凝土浇筑，下穿工程施工时，可能与既有线路底板因变形不协调产生脱离，易引起道床开裂、破碎等病害，故在施工过程中要及时对道床进行监控量测，必要时进行注浆加固。

6结论与建议

本文通过对青岛某新建车站密贴下穿既有车站的十字换乘方案与近距离下穿既有车站的T型换乘方案2种方案的比较分析，采用数值模拟方法，研究了在硬岩地区，新建线路采用型钢格栅密贴下穿及采用CRD法近距离下穿2种方案引起的既有站底板位移变化的规律，得出结论如下。

1)随着2条线路轨面标高距离的增加，开挖引起的既有线底板沉降逐渐减小，当2条线路之间的净距达到3 m左右时，引起的底板沉降仅0.9 m左右，为密贴下穿的14.5%。

2)因为中柱下传既有线顶部荷载，所以既有线底板沉降最大值出现在拱顶附近的中柱底部，在设计下穿线路时应尽量设置在两跨中柱中间，避免从中柱正下方穿过，避免应力集中。

3)施工时应加强监控量测，必要时进行换撑施工新建线路二次衬砌。

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Numerical Simulation for New Metro Tunnel Passing Underneath

Existing Metro Station

LI Qingfei

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Abstract:A new Metro tunnel is planned to pass underneath an existing Metro station. In the paper, the Metro structures are simulated by means of finite element software. Two cases, i.e., Case 1 “double rectangular tunnels passing closely underneath existing Metro station” and Case 2 “double horseshoe-shaped tunnels passing underneath adjoining existing Metro station”, are studied. Conclusions drawn are as follows: 1) The new tunnel should be located as far away from the central columns of the existing Metro station as possible, so as to avoid stress concentration; 2) As the distance between the elevations of the tracks of the two Metro lines increases, the settlement and the maximum and minimum principal stresses of the floor of the existing Metro station induced by the excavation of the tunnels below reduce gradually. When the clear distance between the two Metro lines is 3 m, the settlement of the floor of the existing Metro station induced by the excavation of the tunnels below is only 0.9 m, which is 14.5% of that in Case 1; and the maximum and minimum principal stresses induced are 75% of those in Case 1; 3) Monitoring shall be strengthened during construction, and if necessary, support replacement shall be made to facilitate secondary lining construction.

Keywords:Metro station; tunneling closely underneath existing Metro station; tunneling underneath adjoining existing Metro station; numerical simulation; Metro tunnel

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1275-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.007

作者简介：李清菲(1983—), 女, 山东青岛人, 2009年毕业于兰州交通大学，桥梁与隧道工程专业, 硕士, 工程师, 现从事隧道及地下结构工程方面设计工作。

收稿日期：2015-07-01; 修回日期: 2015-10-10