平顶直墙隧道密贴下穿既有地铁结构变形规律分析

冯英会

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

随着城市轨道交通网络构建，城市交通环境越来越复杂，导致新建地铁工程穿越邻近建构筑物的高风险情况日益增多，甚至会出现“零距离”等恶劣施工条件下的穿越工程［1］。许多学者对新建隧道工程穿越邻近建构筑物的变形规律及特征进行过研究［2-5］，其中包括对邻近桥梁桩基［6］、建筑物、铁路［7］、车站等结构的分析，获取了许多有益的结论［8-10］。本文在前人研究基础上，以北京地铁19号线一期工程积水潭站～北太平庄站区间密贴下穿既有地铁2号线积水潭站及积水潭站～西直门站区间为例，采用Midas-Gts有限元分析软件对各施工阶段进行了仿真模拟计算［11］，并和现场实测变形监测数据对比，总结出密贴下穿施工影响下车站及区间结构的变形规律，得出各施工阶段对既有结构变形的贡献量，为分阶段控制施工变形量及类似工程施作提供参考。

2 工程概况

2.1 新建工程概况

新建北京地铁19号线积北区间下穿既有地铁2号线积水潭站及积西区间的周边环境复杂，受到邻近城市立交桥桩位、预留换乘节点和电力隧道的限制，隧道线路可调整空间狭小、断面受限，新建隧道结构与既有结构竖向间距仅为0.3 m。经过多种下穿方案比选，最终确定新建左、右线下穿段采用4导洞CRD工法施工［12］的平顶直墙断面隧道密贴下穿既有车站及区间来解决该部位建筑限界问题。下穿平顶直墙断面前后3 m范围为过渡段，其余为标准马蹄形断面。

2.2 既有车站及区间结构概况

2号线车站为上下两层，上层站为环线站；下层站为远期站，根据需要只做了一段长37.7 m立交段。环线站东西各有一个喇叭口，西北、西南、东南、东北四个出入口和一座通风道。2号线积西区间埋深约8 m。区间隧道为平顶直墙断面，左线断面尺寸为7 400 mm×8 630 mm，右线断面尺寸为7 400 mm×8 630 mm和6 800 mm×8 630 mm。

2.3 新建地铁与既有车站及区间结构相对位置关系

如图1、图2所示，新建19号线积北区间1号竖井、横通道邻近既有2号线积水潭站及积西区间。1号竖井外轮廓尺寸7.3m×5.6m，深24.53m，距离既有2号线积西区间42.6 m；1号横通道宽4.6 m，高8.7m，覆土12.83～14.96m，距离既有2号线积西区间最近处约18.8m，距离2号线积水潭站最近约11m。

图1 新建19号线积北区间下穿2号线既有结构纵剖面图

图2 新建19号线积北区间下穿2号线既有结构横剖面图

2.4 工程地质与水文地质

根据勘察报告，地层从上至下依次为：粉土填土①层、杂填土①1层、砂质粉土黏质粉土③层、粉质黏土③1层、粉细砂③3层、卵石⑤层、中粗砂⑤1层、砂质粉土黏质粉土⑤3层、粉质黏土⑥层、砂质粉土黏质粉土⑥2层、粉细砂⑥3层、卵石⑦层、中粗砂、卵石⑨层等。

根据区域水文地质资料，场地赋存一层地下水，地下水类型为层间水（三），年变幅约为2～3 m，埋深为25.8～28.87 m，主要分布于卵石⑦层、中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层、卵石⑨层。

2.5 控制措施

为控制新建19号线积北区间密贴下穿既有2号线积水潭站及积西区间引起的结构变形，确保安全，积北区间下穿段综合采取了全断面深孔注浆加固、单线四导洞开挖CRD工法并及时施作初支，分段、隔段施作二衬结构的风险措施处理方案。

3 数值模拟模型建立

3.1 基本模型

考虑到施工过程中的空间效应，应在涉及到的有效影响结构变形范围内取计算模型。本次取长225 m、宽124m，自地表向下60m厚的土体作为考察范围，包括新建19号线积北区间竖井横通道、积北区间，积水潭站G2出入口，换乘通道1，换乘通道2在内的邻近、下穿既有2号线结构，以及对既有2号线结构改造等施工的影响范围。计算模型中周围土体采用实体单元（共423 316个单元，76 928个节点），不同的地层采用不同的材料模拟。具体如图3、图4所示。

图3 新建结构与既有车站、区间有限元模型

图4 新建结构与既有车站、区间位置关系

3.2 模型边界条件

边界条件设置顶面为自由边界，其他面均为法向约束。

3.3 基本假定

（1）既有地铁2号线积水潭站和积西区间结构为线弹性材料。

（2）新建车站、区间与既有地铁2号线积水潭站、积西区间结构及土体之间符合变形协调原则。

3.4 物理力学参数

根据地勘资料和相关规范，计算选取参数见表1及表2。

表1 各土层物理力学参数

表2 结构物理力学参数

3.5 模拟工序

按现场施工阶段确定模拟工序见表3。

表3 施工模拟工序

续表3

4 施工过程既有车站及区间结构变形分析

4.1 数值模拟结果分析

由于实际尚未进行左线小导洞拆撑，本节内容主要是针对工况1～工况6的模拟结果分析平顶直墙密贴下穿既有地铁车站及区间结构的变形规律。

如图5所示，选择图示路径（从左至右里程为B104+70～B102+40，并且分布有8条变形缝，依次命名为变形缝1～变形缝8）绘制既有主体结构的沉降曲线（见图6、图7），分析施工各阶段引起的既有结构变形特征。

图5 既有结构变形考察路径示意

图6 模拟各阶段单独引起的既有结构沉降曲线

图7 模拟各阶段引起的既有结构累积沉降曲线

通过模拟计算分析可知：横通道施工完成后，既有结构最大沉降量为0.04 mm，发生在B103+87位置处。

当开挖区间右线左半幅土体并施作初支阶段，如图6所示，工序2单独引起的最大沉降量为0.95 mm，发生在B103+69位置，在同一位置累积最大沉降量为0.99 mm，此时单工序引起的沉降量和累积沉降量最大位置相同，主要由于前一工序施作横通道阶段横通道距离既有主体结构相对较远，土体开挖卸荷效应不强。

工况3开挖右线右半幅土体并施作初支完成后，既有结构累积最大沉降为1.9 mm，该阶段单独引起的既有结构最大沉降为0.90 mm，位于B103+69区间隧道南侧。施作隧道右线右半幅阶段的沉降比左半幅沉降量小0.05 mm，主要是由于当施作右半幅时左半幅初支已经形成一定强度，有利于减小由于土体损失引起的围岩变形。在工况2和工况3下，单个阶段引起的既有车站结构最大沉降量均位于隧道开挖面上方，且由于临近开挖面上方存在沉降缝，导致在沉降缝两侧出现明显差异沉降，呈现明显的刚体位移特征。工况2沉降缝累积最大差异沉降为0.67mm，发生在沉降缝4处，且西侧沉降明显大于东侧。工况3沉降缝累积最大差异沉降为1.08mm，最大沉降位置仍为沉降缝4处，且工况3单独引起的既有结构沉降缝处差异沉降比工况2小0.26 mm。工况4既有结构累积最大沉降量为2.05 mm，位于B103+69区间隧道南侧，该阶段单独引起的既有结构沉降量为0.16 mm。

在工况2～工况4阶段，积北区间右线开挖左半幅土体、开挖右半幅土体及右线初支阶段的沉降量占整个右线施工引起的既有结构总沉降量的47%、45%、8%，可知右线施作主要沉降量发生在开挖土体卸荷阶段，当土体损失导致应力重分布并在初支作用下达到新的平衡后，施作右线二衬进一步对围岩产生扰动，且二衬结构自重促进了围岩进一步变形。

由于现场施工进度原因，本次模拟计算仅考虑至积北区间左线土体全部开挖完成阶段。工况5左线右半幅土体开挖并施作初支完成后，既有结构累积最大沉降为2.36 mm，位于B103+69区间隧道南侧，左线右半幅施作单独引起的车站及区间结构沉降量为0.97 mm，位于B103+88区间隧道南侧。既有车站及区间结构最大沉降量位置偏离左线右半幅单独引起最大沉降位置主要是积北区间右线先行引起的沉降量较大，叠加左线右半幅影响后仍旧是右线主要影响区沉降较大。当左线右半幅施作完成后，沉降槽宽度由原来的B103+37～B104+15扩大至B103+37～B104+33，既有结构受积北区间隧道施工影响显著增大。

工况6左线左半幅土体开挖并施作初支完成后，既有结构最大沉降为2.59 mm，位于B103+89区间隧道南侧，此时既有隧道结构受先行右线和后行左线的双线影响，最大沉降量比右线单独施作完成时增幅26.3%，工况6单独引起的既有结构最大沉降量为0.90 mm，位于B103+88区间隧道南侧。综合分析，左线右半幅、左半幅开挖引起的主体结构变形占左线合计引起的沉降比率为51.3%、48.7%。

综合得出，单工况引起既有结构最大沉降发生在右线隧道施工阶段，左线隧道施工阶段引起的结构变形影响小于右线隧道，但是增大了沉降槽宽度，引起既有结构更大范围的沉降，且受左右线施作的影响，既有结构最大沉降位置位于左右线轴线间。由于先行右线开挖影响大，且沉降缝4距离右线轴线、左线轴线的距离均较近，左线平顶直墙隧道密贴下穿引起的既有结构沉降缝最大差异沉降1.25 mm，位于沉降缝4处，且由于左线土体开挖引起结构沉降范围扩大，靠近左线轴线的沉降缝3处差异沉降略小于沉降缝4处差异沉降，既有车站及区间结构在新建工程施工影响阶段，需重点关注变形缝部位的不均匀沉降［13］，以减少对既有线正常运营的影响。

4.2 监测结果分析

在隧道施工期间必然会引起既有车站结构变形，需要对车站结构变形进行监测。现场针对既有结构变形监测的布点如图8所示。

图8 既有结构监测布点

选取既有结构沉降点SJC202～SJC206为分析对象，沉降时程曲线如图9所示。

图9 既有结构测点SJC202～SJC206沉降时程曲线

从图9分析，既有车站及区间结构沉降量随着积北区间密贴下穿的进行逐渐增大，右线左半幅下穿阶段，既有结构最大沉降为0.64 mm；当右线右半幅穿越完成后，既有结构最大沉降为0.91 mm；当左线右半幅穿越完成后，既有结构最大沉降为1.09 mm；左线左半幅下穿既有车站结构阶段，结构最大沉降为1.22 mm。在密贴下穿施工过程中，既有结构沉降整体表现出“施作右线时，距离右线较近处沉降大，施作左线时，最大沉降的位置略偏离右线而位于距离左线较近处”的规律。其中在施作右线阶段，由于现场全断面深孔注浆影响，导致位于开挖面上方的车站结构出现了一定程度的隆起，最大隆起量为0.5 mm，当开挖左线土体时，既有结构整体均表现为沉降，且距离隧道轴线越近沉降量越大，随着支护结构强度的形成，沉降趋势趋于稳定，最终沉降量并未超过结构变形允许值（3 mm）。

4.3 实测数据与数值模拟结果对比分析

如图10所示，选取左、右线完成时的既有车站及区间结构沉降测点绘制相应测点曲线图。

图10 既有结构测点SJC201～SJC207实测、模拟沉降对比

从图10分析：随着积北区间隧道的施作，既有结构沉降逐渐增大，且距离隧道开挖轴线较近的SJC203、SJC204沉降明显大于西侧、东侧的其他测点，呈现出典型的隧道施工沉降槽曲线特点。

对比模拟数据和实测数据可知：模拟各工况下的沉降槽特征和实测曲线趋势接近，其中主要在隧道右线暗挖施工阶段实测数据比模拟数据小，主要是该阶段全断面深孔注浆加固地层引起，同时，初支背后回填注浆也会引起既有地铁车站及区间结构一定程度隆起；当左线开挖完成后，模拟数据趋势和实测基本一致，较好地反映了隧道密贴下穿既有车站及区间结构沉降特征。

分析各工况下当前施工阶段引起的既有结构最大沉降量占左线完成时总沉降量的比值可知，实测右线左半幅、右线右半幅、左线右半幅、左线左半幅单独开挖引起主体结构最大沉降量占比分别为52.5%、22.1%、14.8%、10.6%，模拟结果的占比为41.7%、36.9%、13.2%、8.2%。

5 结论

经数值模拟和实测数据对比分析了平顶直墙隧道暗挖密贴下穿既有地铁车站及区间结构沉降特征，主要结论如下：

（1）平顶直墙隧道暗挖密贴下穿既有地铁车站方案可行，采用全断面注浆及CRD工法能较好地控制既有车站及区间结构变形。

（2）隧道密贴下穿采用CRD工法施工引起的既有结构沉降规律为：当注浆压力较大时，既有车站及区间结构会产生局部隆起，但是整体仍呈现出“单线分导洞开挖时先开挖土体对车站结构沉降影响大于后开挖部分，距离开挖隧道轴线越近的位置沉降越大，双线隧道先行线比后行线对结构最大沉降量影响大”的规律。

（3）通过实测分析，右线左半幅、右线右半幅、左线右半幅、左线左半幅单独开挖引起既有车站及区间结构最大沉降量占比分别为52.5%、22.1%、14.8%、10.6%，与数值模拟结果趋势基本一致，工程数值模拟计算分析结果可为后续相似工程分析提供参考。

（4）距离隧道轴线较近位置两侧沉降缝差异沉降大于隧道轴线较远位置。既有车站及区间结构设置沉降缝能够有效降低不均匀沉降对结构受力的影响，但在施工过程中需密切关注变形缝差异变形情况，采取必要处理措施，以减少对既有线运营的影响。