软黏土地层中新建隧道下穿既有车站数值模拟分析

马腾飞 刘小亮 岳虎

摘 要：依托昆明新建地铁4号线联大街站—昆明南火车站区间隧道下穿既有车站（昆明地铁1号线联大街车站）工程，基于土体修正莫尔-库伦屈服准则，采用Midas/GTS有限元软件建立三维有限元模型，模拟计算了新建隧道开挖对既有车站的影响，并将最终的数值模拟结果与现场实际监测数据进行了对比分析，认为在模型、参数选取合理的前提下，数值模拟可对下穿施工有良好的指导作用。

关键词：软黏土；新建隧道；既有车站；数值模拟

中圖分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.32.096

0 引言

当前，随着城市建设的不断推进，城市轨道交通将由平面线状向立体网状发展，难免出现在既有车站附近新建地铁隧道区间的情况，这必然会使得既有车站稳定性受到严重影响，同样也会加大新建隧道区间工程的施工难度；而在软弱黏土中进行隧道的下穿施工，无疑会进一步增加施工风险以及难度，因此，开展软黏土地层中新建隧道下穿既有车站的数值模拟研究是具有相当现实意义的。

目前，国内外相关学者已在数值模拟方面对新建隧道下穿施工开展了较为深入的研究，并也已取得较丰硕的成果。霍润科等在富水黄土地层中采用降水与注浆两种地层加固措施，建立渗流—应力耦合数值计算模型，发现注浆加固下衬砌各部位受力均大于降水加固，两种加固方案下地表沉降以及洞周土体变形的模拟值与监测值较为吻合。侯策源等基于工程实例，对砂卵石复合地层采取地面注双液浆及管棚预加固措施，发现在加固后盾构掘刀盘扭矩和推力下降显著，掘进速度明显提高，达到了预期加固效果。陈城等应用FLAC 3D软件模拟了水位上升后下穿既有隧道的沉降情况，发现水位上升后原有加固方案已不再满足安全要求，继而对注浆加固范围进行了优化，以保证既有隧道安全稳定。杨建周依托某穿越松散堆积体隧道，采用试验研究数值模拟相结合的方法研究了松散堆积体隧道到快速掘进施工方法，发现采用膏状注浆材料加固松散体地层 ，可以使得松散堆积体中的块石胶结，增加隧道施工围岩变形稳定，达到安全高效掘进的施工目的。谭杰等依托三亚隧道穿越全风化石英岩富水软弱地层工程，根据施工采用的水平旋喷桩预加固方案，首先利用力学参数试验研究了旋喷桩体的物理力学特性，并建立了三维数值分析模型，对水平旋喷预加固的效果及加固后所采用的施工方法进行了比选分析。

上述研究大太注重工程实际施工方法，缺乏理论上的凝练，同时软黏土这一特殊地层的研究较少。本文依托昆明新建地铁4号线联大街站-昆明南火车站区间隧道下穿既有车站（昆明地铁1号线联大街车站）工程，模拟了软黏土地层中新建隧道开挖对既有车站的影响，并将数值模拟结果与现场监测数据进行对比，以期为相似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 新建隧道与既有车站位置

新建隧道为昆明地铁4号线联大街站与端头井的连接部分，位于联大路与彩云南路交叉路口地下，沿联大路由东向西布置，采用CRD法暗挖下穿昆明地铁1号线联大街站（既有车站）。新建车站、新建隧道与既有车站位置关系如图1 所示。

1.2 工程地质、水文情况

工程勘探的最大探孔深度达73 m，拟建场地内地下水埋深为5m，主要赋存有上层滞水、潜水、承压水。既有车站周边土层自上而下依次为①2素填土、②2粉质黏土、③1黏土、③2粉质黏土、⑥1-2黏土、⑥2-2粉质黏土。新建隧道地层主要在③1黏土、③2粉质黏土层内，并且部分位于潜水层中，由于潜水的存在，此处的黏土、粉质黏土呈软塑状态，进行下穿施工时易出现掌子面坍塌失稳。同时由于新建隧道与既有车站平面垂直距离不足2 m，属于超近距近接施工，经识别属特级风险源。

1.3 施工监测情况

为保证下穿施工过程中既有车站结构的稳定性，根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）的要求，须分别在既有车站两条轨道线路附近设置监测点，每条线路附近设11个测点，监测点布设如图1所示。

2 有限元模型及参数选取

2.1 有限元模型的建立

基于勘察设计资料和现场监测数据，考虑到新建车站及隧道的影响范围，Midas/GTS模型尺寸取300 m×200m×55 m 。新建隧道与既有车站模型图如图2所示。

2.2 土层参数

土层计算模型采修正摩尔-库伦模型，屈服破坏准则为von Mises准则。根据岩土工程勘察报告，确定土体物理力学参数，见表1。

建模时，所有土体均采用实体单元模拟；既有车站结构、隧道初期支护、隧道二衬采用板单元模拟；下穿施工地层加固体通过修改单元参数方法进行处理。

2.3 注浆加固参数

新建隧道开挖采用CRD法，开挖断面采用三重管高压旋喷桩加固，水泥掺量30%，水灰比0.8。三重管高压旋喷桩加固土体物理力学参数见表2；开挖区四周加固土体范围为新建隧道开挖面边缘向外扩展2m。

3 计算结果及分析

将新建隧道模拟开挖完成后的出既有车站轨道线附近（参见图1）监测点的沉降值与现场监测值对比，见图3。

由图3可知：①既有车站位移曲线没有像文献中呈现为双峰值曲线，而是单峰值位移曲线，这是因为车站结构刚度极大以及两新建隧道距离较近的原因；②轨道线处的数值模拟沉降曲线与现场监测沉降曲线较为吻合，轨道线处的沉降峰值与新建隧道左右线的中心略有偏移，这是因为新建隧道左右线不同步施工造成的；③数值模拟以及现场监测的轨道处最大沉降值均小于规范限值（10 mm） ，两轨道线处最大沉降数值模拟值和实测值误差分别为4.2%和8.8%，这表明针对该工程所选用的模型和参数是较为合理的。

4 结论

（1）因为车站结构刚度极大以及两新建隧道距离较近的原因，既有车站位移曲线是单峰值位移曲线。

（2）由于新建隧道左右线不同步施工，轨道线处的沉降峰值与新建隧道左右线的中心略有偏移。

（3）既有车站轨道线处的数值模拟沉降曲线与现场监测沉降曲线较为吻合，这表明在模型、参数选取合理的前提下，数值模拟可对下穿施工有良好的指导作用。

参考文献

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