地铁隧道近距离下穿既有地铁站变形规律和安全控制研究

刘建美，刘 洋(山东省第七地质矿产勘查院， 山东 临沂 276000)

地铁隧道近距离下穿既有地铁站变形规律和安全控制研究

刘建美，刘 洋
(山东省第七地质矿产勘查院， 山东 临沂 276000)

以深圳地铁7号线实际施工为背景，重点研究地铁区间隧道近距离下穿既有地铁站的安全控制技术，用数值计算分析模拟实际工程近况，并根据工程地质情况，对照监测数据分析结果,提出全断面注浆的时空效应下，应注意注浆加固区域隆起，及时对施工过程进行调整，保证注浆过程中的施工安全。

监控量测；安全控制；数值计算；近距离下穿

近年来地铁建设快速发展，新建线路往往会与既有建筑物交互影响。隧道施工过程中，结构更加复杂，压力不均。为保证周边设施的正常运营，隧道开挖造成沉降必须得到严格控制。因此，为控制新建地铁隧道施工引起的地质情况变化提供较为合理的风险控制技术尤为重要[1-3]。

国内外许多专家学者为此提出了许多可靠有利的典范[4-6]。许奎[7]通过分析地铁隧道下穿既有构筑物施工，进行数值模拟，提出了工程中造成的路面失衡对既有运营的影响。王刚等[8]以某地铁2号线区间下穿客运专线站场为工程依托，通过对计算结果的分析，为减小隐藏的危险系数，提出了相关的措施。张文等[9]从超前地质预报角度对岩溶地区地铁隧道施工安全控制进行了研究。张恒臻[10]采用数值计算方法模拟工程施工中盾构对周围土体的影响。石建泽[11]通过建立工程整体模型，仿真分析了盾构施工对既有建筑物的影响。张立阳[12]分析了地铁盾构下穿既有建筑物施工，运用了模拟和检测相结合的方法，为盾构下穿造成的既有建筑物变形和风险研究提出了相关理论。江华等[13]通过分析新建盾构区间隧道下穿既有工程施工，通过模拟和检测对比分析，阐明了盾构下穿过程中引起的变形规律。杨战博等[14]依托某公路下穿既有道路施工工程，采用专家调查法和层次分析法对工程施工阶段风险进行辨识、分析、评价，得到掌子面失稳为最大施工风险。王晓锋[15]针对盾构下穿地下管线引起的变形规律进行研究，基于管线的极限变形能力确定地表沉降控制值。

1 工程概况

深圳地铁7号线7304-2标呈东西走向，起点为皇岗村站东端，沿福民路向东下穿4号线福民站车站，至7号线福民站西端，区间左线全长392.499 m，右线全长396.077 m。

皇—福区间隧洞零距离下穿既有4号线福民站(见图1、图2)，下穿段右线长28.059 m(里程YDK18+195.542—YDK18+223.601)，左线长28.877 m(里程ZDK18+191.183—ZDK18+220.060)，断面形式为矩形，宽6.6 m，高7.885 m；左右线隧道平行布置，净距为8.9 m；隧道轴线与既有4号线福民站轴线呈75°夹角。新建车站地下连续墙与既有福民站地下连续墙之间的距离仅为3.0 m。

4号线福民站为地下二层车站，围护结构采用地下连续墙支护，地下墙与内衬墙作叠合式结构，厚度达到800 mm的地下连续墙，以及400 mm厚的内衬墙，900 mm厚的底板；整个下穿过程中，设计方案运用了沿4号线底板的“全断面注浆+CRD平顶直墙暗挖”的设计方案，开挖前对隧道间及隧道外轮廓3 m范围土体进行超前深孔注浆加固，并对侧壁进行超前小导管补注浆加固。

下穿段需穿越7号线、4号线车站围护结构(共三道地下连续墙)，初期支护采用型钢钢架+全包双层φ8钢筋网@150×150 mm+喷射350 mm厚C25早强混凝土，二衬采用全包柔性防水层+600 mm厚模筑C35P10钢筋混凝土。

图1 皇福区间下穿4号线福民站段位置关系平面图

图2 皇福区间下穿4号线福民站段位置关系纵剖面图

2 数值计算

2.1 数值计算模型

采用FLAC3D拉格朗日有限差分方法分析软件进行数值计算(见图3)，三维模型选取宽度为200 m，模型延伸方向与深圳地铁7号线走向相同，与福民地铁站结构成75°相交，模型为减小影响长应达到280 m。模型深度取60 m，从上至下按工程勘探实际情况近似赋予地层厚度：5 m、5 m、6 m、7 m、7 m、30 m，地下水位根据实际情况平均取为地表下3 m。福民站模型为两层结构，层高4.6 m与5.9 m，层间结构厚度为0.8 m、0.4 m、0.9 m，支撑立柱截面为边长1.1 m正方形，侧墙厚度0.4 m，地下连续墙0.8 m。隧道结构与车站结构底板“零距离”接触。模型共有62 540个单元，67 133个节点。

图3 数值模型

2.2 数值计算分析方法

运用实体单元对既有建筑等进行模拟，并赋予不同的材料参数。利用生死单元法分步移除和激活不同的单元，动态模拟工程施工过程。模拟过程考虑地下水的影响。其数值计算分析方法如下：

(1) 法向约束应被施加于该模型被设定为地表自由边界的上边界面。

(2) 为准确模拟下穿段施工实际状况，下穿段总体施工顺序：先右线后左线，右线采用双向开挖，先从7号线福民站(由东向西)开挖至对侧地连墙处，再从相对方向挖通，直至右侧挖通后，左侧便可进行下穿，施工方向从两端向中间。

(3) 隧道支护分为两部分，初期型钢临时支护与混凝土二衬支护，此处均简化为弹性支护方式，采用实体单元进行模拟，其本构关系为FLAC3D软件内置线弹性模型；全断面预注浆加固，计算中将注浆加固简化为矩形隧道断面向外延伸3 m形成的注浆加固圈；车站结构，包括边墙、立柱、顶板、底板、地连墙等根据设计说明主要为混凝土结构，均采用弹性单元进行模拟。

2.3 计算参数

通过对摩尔库伦模型下的土体和地质条件分析，将不同地层的土体概化后分为六层；赋存条件下，区域地下水分别以松散岩类孔隙水和基岩裂隙水为代表。地下水位埋深1.80 m～4.20 m，水位高程1.10 m～3.36 m，取地表下3 m为平均地下水位线。注浆加固区采用摩尔-库伦模型，具体参数参考类似工程赋予。地基及其他结构力学参数如表1所示。

表1 地层及其他结构力学参数表

3 数值计算结果分析

3.1 结构变形分析

首先对开挖完成后整体结构的变形进行分析，如图4所示。从图4中可以看出，下穿隧道施工完成后，结构变形最大部位发生在车站结构底板与隧道拱顶相接处，最大变形量为向下沉降2 cm。由于数值计算所需取工程力学参数相对较小，且力学模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型进行数值计算，其弹性模量对于结构变形影响较大，因此所产生的变形量相对于实际工程监测值较大。除负二层底板外，隧道结构上方的各层底板、顶板与车站立柱均出现了与周边相比较为明显的变形，特别是隧道拱顶上方车站立柱，其底部竖向变形最大，起到了支撑、传导变形的作用，其稳定性会进一步影响上层结构，施工中应特别注意。施工中底面竖向位移过大，由于支护体系强度较大，位移主要限制在了注浆加固区，对隧道净空影响较小，但支护体系可能承受较大压力。

由于此工程中工程条件与控制标准较为严格，施工中采取了右线隧道先行开挖的施工方式，以达到减小隧道开挖施工的相互影响，因此进一步研究开挖施工对隧道的相互影响，图5为右线隧道施工完成时与左线隧道初步开挖时整体结构变形云图。由图5可以看出左线隧道开挖对右线隧道周边结构变形影响较小，右线隧道衬砌结构以及上方车站底板、立柱等处变形并无明显变化，而车站结构上覆土处受左线开挖影响，结构变化幅度大，竖向位移也随之提高。这说明双线隧道开挖之间确实存在相互影响，但合理的施工工艺设计，以及主要结构的设计强度，使这一影响带来的额外结构变形明显降低，全断面注浆加固技术也起到了良好的控制效果。

图4 双线隧道施工完成模型整体沉降

图5 双线隧道施工影响对比云图

3.2 结构应力分析

分析结构的受力情况，主要应力集中于整体结构各关键部位的受拉受压状态，如图6所示，在选取截面上，得到的最大主应力和最小主应力模拟结果如下：

对于最大主应力：(1) 整体模型地层部分主要承担压应力，而隧道支护以及车站结构则承受拉应力，尤其隧道周边结构承受应力较大，拉应力最大值出现在左线隧道支护结构左上角及其相接车站底板处；(2) 滞后开挖的隧道其支护结构承受应力大于先行开挖的隧道；(3) 车站立柱结构同样承受较大的拉应力，但其数值远小于与隧道结构相接部位，可达1×105数量级，距隧道结构较近的立柱承受拉应力相对较大，主要集中于负二层立柱结构下部，可达2×105Pa～3×105Pa，其余结构部分承受应力较为平均。

对于最小主应力，整体模型均主要承受压应力，应力集中部位与最大主应力大致相同，应力最大值同样出现在左线隧道支护结构左上角部位，但与最大主应力情况下不同的是，其具体数值与其他部位相对较为接近，受力不平衡情况相对较轻。

总体来说结构受力仍在其设计强度承受范围内，但存在应力集中现象，隧道支护结构与既有车站结构相接部位应力集中现象突出，尤其是隧道支护结构拐角部位，是结构承担荷载最大的部位。车站立柱受力不平衡，越靠近隧道其受力不均现象越发严重，但仍在设计强度承受范围内，与应力集中部位相比应力较小。距离隧道结构较远的车站结构受开挖影响较小。

图6 整体结构主应力云图

4 现场监测结构变化分析

4.1 监测点布置

根据本项目现场条件，依照工程相关规定受地铁施工影响的范围内进行自动化监测，上下行线共布置22个监测断面，分别是上行线11个(R1—R11)，下行线11个(L1—L11)。具体监测断面布置详见图7。

监测点布置情况如下：地铁4号线福民站受拟建车站施工影响区域自动化监测断面均布置在既有线车站范围内，根据现场实际情况，同时保证各监测点不侵入建筑限界，车站内每个断面布置监测点3个，分别是侧壁1个、道床2个。

图7 自动化监测平面布置图

为保障测量精度，在施工影响监测范围之外设置3个以上基准点，严格控制测站与观测点的距离，测站点和监测点的垂直角小于10°，直线距离控制在150 m以内。

隧道施工监测项目包含：地层及支护情况观察、地表沉降、顶拱下沉、净空收敛、地下水位、格栅内力、围岩压力。

4.2 监测技术与方法

本项目监测方法分为自动化观测和人工观测，自动监测为主，与手动监测互补。手动监测为自动监控数据进行检查，并作为监测紧急储备。为了保证观测数据的连续性及可比性，人工监测与自动化监测均采用同一监测点标志，且在同一时间采集初始值。自动化监测拟用徕卡TS30测量机器人配合Geomos专业监测软件进行。人工观测拟用徕卡DNA03水准仪配合水准尺(沉降观测)、用徕卡TS30全站仪配合L型棱镜(水平位移观测)进行。

4.3 监测数据分析

根据施工期间自动化监测数据，对福田车站结构变形进行研究分析。由图8可知，监控测点沿4号线富民站延伸方向布置，其中L4—L8与R4—R8测点位于7号线下穿福民车站段，L4—L5与R4—R5位于下穿隧道右线上方，L7—L8与R7、R8位于左线上方，L6R6位于双线隧道中心线上，其余测点位于下穿段外侧。

(1) 7号线右线施工监测数据分析。从图8(a)中可以看出R4、R5测点从1月份左右开始出现明显的隆起现象，各测点高程变化趋势相同，且R4-1、R5-1测点隆起量近乎相同，明显小于其余各测点。由测点布置可知，R4-1、R5-1为拱腰处测点，其余4测点为道轨处测点，可知距下穿隧道较近测点隆起量较大，主要由于注浆压力控制不合理。随下穿施工进行隆起量逐渐平稳降低，是由于开挖造成结构下沉与隆起相抵消，沉降发育平稳。

图8(b)为L4、L5监测点高程变化情况，在R4、R5两点一个月左右后也就是2月份，其高程变化程度很明显。L4—L5测点中，拱腰处测点L4-1、L5-1，随施工进行发生沉降，沉降发育速度较为平稳，3月—4月期间发生沉降发育速度过快现象，沉降最大值达到13 mm。L4—L5中其余监测点在施工进行至该断面时突然发生较大隆起，且隆起测点均位于道轨处，距离注浆加固区域较近，推测与注浆控制有关。随施工进行L4-2、L4-3、L5-2、L5-3测点高程注浆降低，隆起下降，且下降趋势与L4-1、L5-1沉降趋势基本相同，故同样可认为由于开挖造成结构下沉与隆起相抵消造成的。

图8 7号线下穿段右线隧道上方车站监测点高程变化

(2) 7号线左线施工监测数据分析。图9为下穿段左线高程累计变化曲线，对比图9(a)、图9(b)两图，R7、R8各测点于1月份开始产生一定隆起主要由于此时开始进行注浆加固造成，2月份之后测点开始产生下沉，施工路线从左开始，同时按东西走向开挖从右侧直至地连墙，与施工顺序计划相符；L7、L8测点2月份开始产生轻微沉降，是受右线隧道开挖影响，因为此时右线开挖至南北向同一地连墙位置。R7、R8与L7、L8监测点中道床处测点均在4月左右产生显著隆起，隆起发育迅速，最大隆起量13 mm以上，此时左线开始正式注浆加固施工，随后进行双向开挖工作，测点高程迅速下降，高程累计变化稳定在-5 mm～5 mm。随后左线由西向东继续进行注浆加固与开挖，由于距离相对较远，L7、L8监测点产生轻微隆起，抬升量约为5 mm。

对比图9(b)与图8(b)可以发现5月份起 L侧测点高程变化趋势几乎相同，但左线测点变化幅度相对更大，进一步对比双线隧道中线位置L侧测点5月份高程变化，见图10，其趋势依旧相同，变化幅度介于二者之间，可以认为这一变化趋势均是由于左线施工造成，受影响大小与其距离成反比。

图9 7号线下穿段左线隧道上方车站监测点高程变化

图10 7号线下穿段隧道中线上方车站监测点高程变化

5 结 论

(1) 隧道结构上方的各层底板、顶板与车站立柱均出现了与周边相比较有明显的变形，越接近隧道结构，变形越大，特别是起支撑、传导变形作用的立柱，应予以注意。

(2) 方形隧道边角处应力易出现集中现象，此工程中拉应力最大值出现在左线隧道支护结构左上角及其相接车站底板处，地底隧道施工时应注意对应力较为集中的地方进行加固。

(3) 高强度型钢支撑短时间撤销，带来了围岩变化的二次发育，致使沉降进一步发展，应尽量缩短换撑的间隔。

(4) 注浆加固后进行隧道开挖易出现先隆起再沉降的不安全因素，监测控制不仅应满足最终沉降量要求，应注意施工过程中沉降量的实时变化情况，其及时对施工过程进行调整，保证注浆过程中的施工安全。

[1] 赵衍发.浅埋暗挖法下穿既有地铁车站的风险控制[D].北京：北京交通大学,2013.

[2] 张 旭,张成平,韩凯航,等.隧道下穿既有地铁车站施工结构沉降控制案例研究[J].岩土工程学报,2016-07-11 19:12:006. http://www.cnki,net/kcms/detail/32.1124.TU.20160711.1912.006.html

[3] 万良勇,宋战平,曲建生,等.新建地铁隧道“零距离”下穿既有车站施工技术分析[J].现代隧道技术,2015,52(1):168-176，183.

[4] 王子甲,陈 峰,梁青槐.双线暗涵近距离下穿既有地铁车站的沉降研究[J].地下空间与工程学报,2014,10(2):385-390，397.

[5] 史 芳.地铁车站下穿既有结构风险分析[J].低温建筑技术,2014,36(5):111-114.

[6] 李 骥.PBA工法地铁车站密贴下穿既有车站工程风险控制研究[D].北京：北京交通大学,2016.

[7] 许 奎.新建地铁隧道密贴下穿既有地铁车站风险控制研究[D].北京：北京交通大学,2012.

[8] 王 刚,李俊松,张兴刚.地铁区间暗挖隧道下穿既有铁路站场安全风险管理研究[J].铁道标准设计,2014,58(9):93-98.

[9] 张 文,武 科,刘国强,等.城市地铁隧道岩溶地质灾害预警与成因分析[J].水利与建筑工程学报,2015,13(2):42-46.

[10] 张恒臻.地铁盾构隧道下穿既有铁路沉降分析与控制研究[D].北京：北京交通大学,2015.

[11] 石建泽.某盾构下穿北京地铁双线盾构区间结构变形分析及控制研究[D].北京：北京交通大学,2014.

[12] 张立阳.地铁盾构下穿高速铁路高架线变形分析及风险控制研究[D].北京：北京交通大学,2012.

[13] 江 华,张晋勋,江玉生,等.新建盾构隧道近距离下穿既有车站诱发结构变形特征研究[J].现代隧道技术,2016,53(1):159-164.

[14] 杨战博,寇君淑,杨 欢,等.关林子公路隧道下穿既有道路施工风险评估[J].水利与建筑工程学报,2016,14(2):30-34.

[15] 王晓锋.超大直径盾构下穿地下管线的变形及其安全控制研究[J].水利与建筑工程学报,2014,12(1):169-173.

The Settlement and Controlling Measures of Subway Station in Short Distance During the Under-passing of Metro Tunnel Construction

LIU Jianmei, LIU Yang

(The7thInstituteofGeology&MineralExplorationofShandongProvince,Linyi,Shandong276000,China)

Based on the line 7 of Shenzhen metro project, it focuses on the safety control technology for the construction one subway tunnel beneath existing subway station in short distance. Using numerical calculation to analyze and simulate the actual engineering situation. According to the engineering geological conditions, by comparing the results of the monitoring data analysis, this paper proposed the time-space effects of the full-sectional grouting. Much attention should be paid to the uplift of grouting reinforcing area. Adjusting the construction process timely can ensure construction safety in the process of grouting.

monitoring measurement; safety control; numerical calculation; short distance under-passing

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.039

2016-07-04

刘建美(1982—)，女，山西大同人，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质勘查工作。 E-mail：254731631@qq.com

U231

A

1672—1144(2016)06—0202—06