地铁车站暗挖通道平行上穿紧邻既有线施工技术研究

伍劲锋

摘 要：以北京地铁 4 号线宣武门站人行通道平行上穿既有线为背景，研究中隔壁法（CRD 法）开挖施工对地下既有线结构受力和形变的影响。采用有限元平面应变力分析模型，研究 CRD 法不同开挖方案对既有线隧道结构的影响，根据数值分析结果对 CRD 法施工进行优化。结果表明，先行开挖紧邻既有线部分可以有效降低掌子面分部开挖卸荷的地层应力，其对既有线隧道结构受力和形变的影响显著低于先行开挖背离既有线部分。

关键词：地铁隧道;平行上穿;既有线;CRD 法;施工技术

中图分类号：TU457

CRD法，又称交叉中隔壁法，是一种适用于地质条件差、隧道埋深浅且周边环境复杂的暗挖施工方法，该开挖方法要求每一个开挖步都各自封闭成环，兼有台阶法和双侧壁导坑法的优点，对于控制地表沉陷及地层变形具有良好的效果[1]，在城市地铁、市政管线和公路浅埋隧道等工程中的应用越来越广泛[2]。王薇等利用有限单元法研究了CRD法在某城市地下公路淺埋暗挖隧道的应用，结果表明，CRD法在控制地层变形方面效果显著[3];周保生研究了CRD法在深圳市轨道交通9号线给排水管改迁工程中的应用，并改进了CRD法施工工艺，加快了施工进度，同时又保障了施工安全[4];邓一等采用离散元法研究了CRD法不同工序对层状隧道岩体应力和位移变化规律的影响，结果表明，岩层倾向与开挖工序的关系密切[5]。由此可见，研究CRD法在具体工程中的施工方法，对保障工程施工安全具有重大的意义。

北京地铁4号线宣武门站新增换乘通道工程，东北象限正北方向的一段人行通道在地铁4号线的侧上方平行穿越，且初支的外边界紧邻地铁4号线，因此，采用CRD法施工控制地层变形，减少人行通道施工对既有线的影响。本文利用有限元软件建立“地层-人行通道-既有线”的平面应变力学模型，对比分析CRD法2 种不同开挖方案对既有线结构受力和形变的影响，优化CRD开挖方法，提升开挖施工过程的安全性。2种开挖方案为：方案1，先行开挖紧邻既有线部分，即开挖步序是左上、左下、右上、右下;方案2，先行开挖背离既有线部分，即开挖步序是右上、右下、左上、左下。

1 工程概况

北京地铁宣武门站是4号线与2号线的换乘车站，2号线车站东西向布置，4号线车站南北向布置。为改善2线之间换乘能力严重不足，新建西北、东北、西南3条换乘通道实现4号线向2号线的换乘。东北象限正北方向新增人行通道平行上穿既有4号线区间，平行穿越长度约为300 m，通道结构为马蹄形断面，标准断面开挖跨度10.1 m，开挖高度8.4 m，初支外皮与区间净距约2.2 m，为特级风险源（图1）。

2 有限元数值模型构建

2.1 计算模型

新增通道与既有4号线区间结构大范围平行，开挖扰动对地层和既有结构变形的影响主要体现在横截面内，因此，本项目可以简化为平面应变力学问题进行分析。采用有限元软件PHASE2D建立二维数值模型如图2所示。模型长50 m，高30 m，顶部为自由边界，两侧及底部采用法向位移约束。地层以及深孔注浆加固区采用实体单元进行模拟，划分为三角形单元;新增通道和4号线的二衬钢筋混凝土结构采用壳单元进行模拟;整个模型共计2 567个单元，3 458个节点。

假定土层是均质的和各向同性的，且为水平层状分布，其变形破坏特征符合摩尔-库伦准则，既有线结构、通道初支和二衬。均简化为弹性本构模型。各土层的力学参数见表 1，深孔注浆加固的力学参数见表2。

2.2 模拟步序

CRD法开挖分区示意图如图3所示。本文主要研究2种不同的开挖方案对既有线结构受力和形变的影响。方案1，模拟步序是先行开挖紧邻既有线部分，即开挖顺序依次是Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ;方案2，模拟步序是先行开挖背离既有线部分，即开挖顺序依次是Ⅲ→Ⅳ→Ⅰ→Ⅱ。在开挖Ⅰ区和Ⅲ区时，均采用预留核心土方法。方案1模拟步序如下。

（1）进行初始地应力平衡的计算，模拟施工开挖前既有线所处地层的应力场和位移场。

（2）开挖Ⅰ区导洞并保留核心土，激活初支结构单元，修改加固区的力学参数，施作初支，及时进行初支背后注浆。

（3）开挖Ⅰ区核心土部分，施作仰拱，激活仰拱结构单元。

（4）开挖Ⅱ区土体，激活该区初支结构单元，修改加固区的力学参数，然后激活该区仰拱结构单元。

（5）采用与Ⅰ区相同的方法开挖Ⅲ区。

（6）采用与Ⅱ区相同的方法开挖Ⅳ区。

（7）拆除下部临时中隔壁结构单元，激活二衬结构单元。

（8）拆除上部临时中隔壁结构单元，完成施工过程模拟。

方案2模拟步序与上述（1）～（8）类同，从Ⅲ区开始模拟开挖。

3 计算结果分析

3.1 先行开挖紧邻既有线部分（方案 1）

3.1.1 既有线结构位移趋势

图4为先行开挖紧邻既有线部分（方案1）条件下不同模拟步序时的位移云图。下面根据图4分析各个模拟步序时的位移变化。

（1）由图4a可知，预留Ⅰ区核心土待开挖，此时位移主要集中在核心土的台阶部分，根据位移箭头可看出核心土底部土体发生局部上拱，而既有线部分的位移不明显。

（2）由图4b可知，当完成Ⅰ区、Ⅱ区的开挖并施工左侧的初支和横向隔墙时，横向隔墙的位移最大，Ⅱ 区底部土体呈上拱变形，既有线右线的位移箭头指向已开挖区，表明此步的开挖扰动已引起既有线发生形变，横向隔墙在抑制地层和结构变形中发挥了显著作用。

（3）由图4c可知，当全部完成开挖并施工初支、横竖向隔墙时，开挖扰动引起的既有线结构位移达到最大，左线和右线位移箭头均指向开挖区，同时，横、竖向隔墙的位移最显著，Ⅱ区和Ⅳ区底部土体发生上拱变形，由此表明，随着开挖卸荷范围的扩大，地层扰动的范围亦随之增大，隔墙继续发挥抑制地层和结构变形的作用。

（4）由图4d可知，当拆除全部隔墙并施工完二衬以后，二衬结构的位移最显著，表明此时二衬结构承担了地层松动引起的主要荷载，有效地抑制了既有线结构的形变。

3.1.2 既有线结构计算点位移

图5为既有线左线和右线结构数值模拟的位移和应力计算点布置示意图，其中，Z4和Y4分别表示左线和右线距离开挖区最近的计算点。

图6、图7分别为既有线左线和右线计算点位移、应力与模拟步序的关系曲线，图6、图7分析如下。

（1）随着开挖范围的增大，左线和右线计算点的位移不断增大，在模拟6步序时（即完成4个分区的全部开挖和初支施工），位移达到最大值，随着二衬的施工，左线和右线计算点的位移有所回落。对比图6a和图6b可知，新增通道施工对右线形变的影响显著大于左线，左线Z2计算点（底拱）的形变最大，右线Y3计算点形变最大。

（2）左线和右线计算点的竖向应力变化趋势与位移变化趋势一致，即应力扰动幅度随开挖面积增大而不断增大，在模拟步序6时达到最大值，并在二衬施工完成后，应力扰动幅度有所回落，另外，应力扰动最大点对应的位置是左线Z2计算点和右线Y3计算点。由此说明，开挖卸荷的应力扰动是引起既有线结构发生形变的本质原因，距离开挖区越近，扰动幅度越大，对左线的底拱影响最大，而对右线的右侧墙扰动最大。

3.2 先行开挖背离既有线部分（方案 2）

3.2.1 既有线结构位移趋势

图8表示先行开挖背离既有线部分条件下不同模拟步序的位移云图。下面根据图8分析各个模拟步序的位移变化。

（1）由图8a和图8b可知，Ⅰ区和Ⅱ区开挖完成后，变形主要集中在开挖区附近土体及横向隔墙，对既有线结构的位移影响较少，这是由于开挖区距离既有线结构较远。

（2）由图8c和图8d可知，当整个断面开挖完成且初支施工后，既有线结构存在显著位移，二衬施工完成后在一定程度上抑制了地层的形变对既有线结构的影响，由此可见，既有线结构形变主要来自于开挖Ⅰ区和Ⅱ区应力扰动。

3.2.2 既有线结构计算点位移

图9、图10分别表示既有线左线和右线计算点位移、应力与模拟步序的关系曲线，图9、图10分析如下。

（1）既有线结构的位移和应力扰动幅度在模拟步序6之前不断增大，然后随着二衬施工完成，两者的值有所下降。

（2）左线Z2计算点应力扰动和形变最显著，右线Y3计算点应力扰动和形变最显著。

4 结论及建议

方案1在整个施工过程对既有线结构产生显著扰动影响，而方案2在施工左上开挖分区Ⅰ、左下开挖分区Ⅱ对既有线结构扰动不大，因此，若对左上开挖分区 Ⅰ、左下开挖分区Ⅱ施工过程有严格位移控制要求的，建议优先选择方案2。然而，方案1的最终扰动程度显著低于方案2，因此，从最终的安全控制角度来看，推荐采用方案1。

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收稿日期 2020-05-15

责任编辑 朱开明