区间隧道长距离密贴下穿既有车站变形特征分析

高太平 申健昊 闫建龙 李 刚 李昊炎 沈宇鹏

(1.中铁四局集团第三建设有限公司 天津 300011；2.北京交通大学 北京 100044)

1 引言

随着各大城市地铁线网越来越密集，新旧线路交叉穿越现象已越来越常见[1]。新建区间隧道、车站施工过程中，必然会对既有结构周围土体产生扰动，引起围岩应力重分布[2]。其中，长距离密贴下穿工程新建隧道-地层-既有结构之间动态相互关系较为复杂[3]，施工难度大、复杂程度高，有必要对此类工程实例进行深入研究。

目前，对于区间隧道下穿既有结构工程的研究已取得极大进展。冯英会、杜文等[4-5]依托密贴下穿工程，将数值模拟和现场监测相结合，对下穿工程中既有结构的变形规律进行分析。祁文睿、李士中[6-7]以实际下穿工程为背景，通过仿真计算研究注浆技术的加固效果。邓启华、王建功等[8-9]结合实际下穿工程，对施工过程中采用的管棚注浆、扣轨加固等技术的效果进行分析。

然而，上述研究以盾构隧道穿越既有结构居多，对于浅埋暗挖隧道长距离大面积穿越既有结构工程的研究相对较少。本文以北京地铁19号线区间隧道密贴下穿既有4号线新宫站工程为背景，采用Midas/GTS有限元软件对下穿施工全过程进行数值模拟，利用第三方监测数据对模拟结果进行验证，从而分析既有结构的沉降变形特征。

2 工程概况

北京地铁19号线四线区间隧道下穿既有4号线新宫站项目，正线隧道在中间，两条出入线隧道分布两侧。区间隧道从既有站西侧盾构井始发，自西向东下穿既有车站后到达新建19号线新宫站。下穿工程平面示意图如图1所示。

图1 下穿工程平面示意

区间隧道共有三种断面形式，下穿段西侧C型为两小净距并行拱顶直墙隧道，宽6.5 m，高9.06 m；为达到“零距离”下穿的目的，下穿段B型为大断面平顶直墙隧道，宽13.5 m，高8.46 m；下穿段东侧A型为大断面拱顶直墙隧道，宽13.8 m，高10.85 m。出入线为左、右两马蹄形隧道，宽7.07 m，高7.08 m，下穿工程剖面图如图2所示。

既有4号线新宫站为地下双层明挖六跨五柱框架结构，车站总长度360.15 m(仅取下穿影响范围内既有车站进行研究)，宽度为40.9 m，底板埋深约16.58 m，顶板平均覆土厚度约3.2 m。既有站东、西两侧分别设1号、2号紧急疏散口，断面尺寸均为4.3 m×5 m。新宫站东、西两侧布设直径1 m间距1.6 m的围护桩，桩长23 m；两紧急疏散口周围布设直径0.8 m间距1.6 m的围护桩，桩长13 m。隧道施工过程中对开挖范围内的既有站围护桩进行破除，破除范围为6 m。

图2 下穿工程剖面图

本工程下穿长度长达47 m，下穿段新建隧道拱顶与既有站底板净距仅为0.22 m，为典型的长距离大面积密贴下穿工程。新建隧道洞身围岩主要为卵石圆砾地层，然而，卵石圆砾地层具有胶结性弱、灵敏度高、受扰动后自稳性差等特点，施工过程中极易引起既有结构产生较大沉降变形[10]。为控制既有结构沉降，隧道开挖过程中使用全断面后退式深孔注浆技术对地层进行预加固。

3 评价指标

在查阅地铁运营机构出台的规范及相关学术文献[11]的基础上，对下穿施工中既有结构变形限值整体汇总如表1所示。

表1 地铁结构及轨道变形控制指标

根据表1规定，在不超出限值的前提下，选取既有车站结构累计沉降作为评判既有结构安全性的标准。

4 下穿过程既有车站的模型建立

4.1 模型建立

模型宽度为区间A、B、C型隧道的总长100 m；新建隧道外边缘至模型边界距离为开挖洞径的3～5倍；模型上表面取至地表，新建隧道下边缘至模型底部距离为开挖洞径的2倍，最终确定模型总尺寸为120 m×100 m×40 m。数值模型如图3所示。

图3 数值模型

根据现场地勘资料可将场地土层分为8层，均采用摩尔-库伦本构。既有车站顶板、中楼板、底板，新建隧道初支、二衬、临时仰拱等结构均通过“析取”命令采用二维板单元模拟。既有站柱、既有站及紧急疏散口围护桩采用一维线单元模拟，且对围护桩施加底部约束限制其RZ方向的旋转，所有支护结构及既有结构均采用线弹性本构。

通过“改变属性”命令赋予地层注浆加固后土体属性实现注浆加固的模拟。加固后土体相关参数通过对文献[12-13]的研究确定。模型顶部为自由面，对底部及侧面施加位移约束限制其位移。地层及材料力学参数如表2所示。

表2 地层及材料力学参数

4.2 模拟工序

下穿段隧道截面可进行如图4所示的划分。

图4 B型隧道截面划分

根据实际施工阶段确定模拟工序如表3所示。

表3 施工模拟工序

4.3 模型验证

施工过程中，第三方对既有站道床沉降进行实时监测，监测点位布置如图5所示。为便于模型验证及后续沉降分析，在模型上选取典型测点及截面。其中，截面B为既有站长度方向中位线，截面A为B型隧道中线在既有站底板对应位置，O点为上述两截面在既有站底板上的交点，典型截面位置如图6所示。

图5 既有站道床监测点位

图6 既有站底板典型截面

通过对测点DJC308及截面C各测点模拟值与实测值对比验证模型的可靠性，对比图如图7所示。

图7 沉降值模拟值与实测值对比

分析图7可得，模拟值与实测值并不完全一致，除个别点数值差距较大外，其余点误差较小，在可接受范围之内，且两者具有相同的变化趋势。考虑到实际施工较为复杂，影响变形的因素较多，可认为用Midas/GTS进行数值模拟是可靠的。

4.4 结果分析

4.4.1 既有车站结构沉降变形

各施工阶段沉降占累计沉降量条形图如图8所示，施工全过程中既有站底板O点沉降变化曲线如图9所示。

由图易得，既有站东、西两侧A型、C型隧道土体开挖及初期支护对既有站的影响较小，既有站底板在此两阶段的沉降变化曲线近似为一条直线。

图8 各阶段沉降占比条形图

图9 施工全过程O点沉降变化曲线

既有站沉降变形集中发生在下穿段B型及两侧出入线隧道施工过程中，且土体开挖及初期支护造成既有站底板沉降回升甚至略微隆起，分析原因是开挖过程中施作的初期支护与围岩形成了刚度较大的地下体系所致，同时，开挖过程中对地层进行全断面深孔注浆也会导致既有站底板出现一定程度隆升。而在下穿段隧道二衬结构施作过程中，临时仰拱、临时中隔壁等支护结构的拆除使得之前形成的支承体系刚度迅速下降，从而导致既有结构沉降变形逐渐增大。

为进一步对下穿段B型及两侧出入线隧道施工过程中既有站结构的沉降变形特征进行分析，绘制既有站底板沉降槽曲线如图10所示。

图10 施工过程中既有站底板沉降槽

分析图10可知:区间及两侧出入线隧道下穿既有站过程中，区间左、右线、中线、出入线二衬施工引起的既有站沉降变形最大，5、6导洞开挖引起的既有站沉降变形次之，1、2、3、4导洞开挖引起的既有站沉降变形最小。其中，导洞土体开挖后A、B截面沉降槽变形趋势一致，而左右线、中线二衬施作完成后A、B截面沉降槽具有大致相同的变形趋势。下穿过程中既有站结构最大沉降并未超过3 mm的限值，可认为采用此种施工方案可以确保既有结构在下穿施工过程中的安全。

4.4.2 紧急疏散口沉降变形

施工全过程中既有站东、西两侧紧急疏散口最大沉降变化曲线如图11所示。

图11 施工全过程紧急疏散口沉降变化图

由图11可得:由于紧急疏散口位于既有站东西两侧位置，下穿段B型及两侧出入线隧道施工对其影响不大，两疏散口在下穿施工过程中沉降变化曲线近似为一条直线。然而，西侧2号紧急疏散口沉降变形集中发生在既有站西侧隧道开挖过程中，东侧1号紧急疏散口沉降变形集中发生在既有站东侧隧道开挖过程中。实际施工过程中，对既有站东、西两侧隧道开挖时需采取相关措施控制疏散口沉降。从图中可以看出，两疏散口最大沉降变形均未超过3 mm的限值，再一次验证了实际施工方案可以确保既有结构的安全。

5 结束语

(1)采用平顶直墙隧道密贴下穿既有车站方案可行。施工过程中采用全断面注浆技术加固地层可以有效控制既有结构的沉降变形。

(2)既有站沉降变形集中发生在下穿段隧道施工过程中，下穿段隧道二衬施作引起的既有站沉降最大，施工过程中既有站沉降变形并未超过3 mm的限值。

(3)既有站西侧疏散口沉降变形集中发生在西侧隧道施工过程中，东侧疏散口沉降变形集中发生在东侧隧道施工过程中，两者沉降变形均未超过3 mm的限值。