地铁盾构隧道下穿既有地铁车站变形控制标准探讨

张运涛

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

大规模、网络化城市轨道交通发展导致新老结构的交叠穿插，出现多条线路相互交错情况；在换乘节点不断增加的同时，出现新建隧道近距离下穿既有车站的情况更为普遍。鉴于此类问题的普遍性及特殊性，在隧道近距离下穿已运营车站时，地基不均匀沉降会在结构内部产生附加内力，影响地铁运营安全及周边环境安全[1-2]，甚至直接影响结构的受力及耐久性，进而对车站结构使用寿命造成影响。

陶连金等[3]通过数值模拟对大直径盾构隧道下穿既有车站变形进行了分析，得出了盾构开挖引起的结构变形情况，对结构安全状态进行了评估；李围等[4]以南京地铁1号线下穿玄武湖公路隧道为例，采用数值模拟及室内相似模型试验对盾构穿越施工进行了研究分析；崔玉龙[5]采用资料调研、数值分析、现场试验等方法，对盾构隧道穿越工程加固措施、掘进参数及隧道变形进行了研究；朱正国，房居旺等[6-7]通过有限元模拟，分别从车站结构变形、地层变形等方面，提出了切实可行的既有车站的保护加固方案；许有俊等[8]采用有限元模拟结合实测数据，分析盾构穿越施工对既有车站的变形影响，验证了预埋桩基可有效控制既有站的变形，并对桩基方案进行了优化设计；姚晓明等[9]以成都地铁下穿已运营线路为背景，探讨了盾构施工工法，进行管棚试验，提出了风险应对措施，通过有限元变形数据和实际监测情况对比分析，验证了设计方案的可靠性；江华等[10]采用数值模拟和现场实测相结合等手段，分析了新建盾构隧道近距离下穿施工车站结构的变形特征；房倩[11]，吴浩等[12]对大直径盾构隧道下穿既有地铁车站的沉降特征进行分析，研究了盾构操作参数对地层扰动的影响；学者们还对矩形暗挖下穿既有车站、盾构隧道下穿既有运营隧道的变形影响做了针对性研究[13-17]。

由上述分析可知，盾构下穿已运营车站工程更多的是关注风险控制和变形控制，然而，对于工程中普遍存在的变形控制定量标准没有进行针对性研究分析，如何确定既有结构变形允许范围是目前急需解决的难题。因此，以杭州地铁某车站地下三层盾构下穿已运营车站为背景，从技术标准研究、工程类比分析、基础变位影响等方面，提出了基于基础变位影响下控制标准分析，给出了有效的变形控制指标，分析结果经三维数值模拟和变形监测得到验证，确保了依托工程地铁车站的运营安全。

1 工程背景

1.1 工程概况

杭州地铁既有2号线车站为地下两层站，目前已经投入运营，结构形式为双柱三跨断面，呈南北走向；新建地铁4号线车站为地下三层站，结构形式采用双柱三跨断面，呈东西走向，与既有地铁车站呈88°夹角，新建车站分布于既有车站东西两侧，新建车站地下三层采用盾构法下穿已运营车站。平面布置如图1所示。

图1 盾构隧道下穿已运营车站平面关系

盾构隧道以88°斜交角下穿已运营车站，下穿范围长约30 m，采用单圆盾构隧道，盾构外径6.2 m，管片厚0.35 m，线间距17 m，盾构隧道距上方已运营车站最近距离为1.1 m，隧道与既有车站剖面位置关系如图2所示。

图2 盾构隧道下穿已运营车站剖面关系(单位：m)

1.2 工程地质水文

本工程场地属湖沼相沉积平原地貌单元，第四系覆盖层厚度较大，浅部分布有填土、冲湖积黏性土层；中部为冲湖积黏性土、砂层、海积淤泥质土、黏性土层；中下部为冲积、冲洪积砂卵石层；下伏基岩为泥质粉砂岩、粒砂岩和凝灰岩。各层大致呈水平层理分布，为杭州地区典型软土地层。盾构下穿段主要为⑥2淤泥质粉质黏土和⑦1粉质黏土，其中，淤泥质粉质黏土层于既有站施工时已经加固。

场地地下水类型主要是第四纪松散岩类孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水。其中，潜水主要分布于表层填土中，稳定水位为0.75～2.70 m。场地承压水主要分布于⑤2层砂质粉土及深部2层中砂、3层砾砂和4层圆砾中，水量丰富，隔水层为上部的淤泥质土和黏性土层。⑤2层承压水埋深位于地表下2.3 m，4层承压水埋深位于地表下0.8 m，承压水水头高度约43 m。

2 既有车站现状调查及评估

根据DB33/T1139—2017《城市轨道交通结构安全保护技术规程》，盾构隧道穿越既有车站前需对既有车站结构状态及长期变形数据进行调查，对结构安全状况进行分类，制定相应变形控制标准[18]。

2.1 长期监测情况

根据地铁保护监测单位提供的监测资料，截止2019年12月(基坑施工前)，既有地铁设施结构竖向变形无明显变化，上行线最大变化量为4.3 mm，出现在K37+607.5，下行线最大变化量为2.9 mm，出现在K37+735.5。至2020年7月，既有车站范围内轨距也未超限，均在允许范围内。

2.2 结构安全状况分类

根据浙江省工程建设标准《城市轨道交通结构安全保护技术规程》，轨道交通结构安全状况根据其变形和结构受损情况按表1进行确定[10]。

表1 轨道交通结构安全状况分类

根据长期监测数据显示，车站结构主体及轨道变形较小，结构性能状态良好，鉴于目前已铺轨运营，结构安全状况按Ⅲ类进行分析。

3 车站变形控制标准初步分析

3.1 国家行业控制标准

CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[19]对城市轨道交通结构外部作业影响等级、净距控制管理指标及结构安全控制指标均做出了明确要求，本项目处在既有工程强烈影响区域内，接近程度为非常接近，外部作业影响等级为特级。规范附录B给出了项目安全控制指标建议值，见表2。

表2 城市轨道结构安全控制指标 mm

3.2 杭州地方控制标准

国内大多数城市轨道交通设施的风险管控出台了一系列相关规定，其中，《城市轨道交通结构安全保护技术规程》规定的结构安全控制指标应结合轨道交通结构安全状况、外部作业对轨道交通结构的主要影响及安全保护要求合理选用，并符合表3规定。当存在多项外部作业同时影响时，应综合考虑其影响的叠加效应，分配结构安全控制指标。

表3 轨道交通结构安全控制指标 mm

按照轨道交通结构安全状况分类经综合确定，结构变形控制指标按Ⅲ类控制，考虑既有车站结构两侧基坑开挖影响，截止2020年7月，基坑开挖对车站产生的变形见表4，车站最大沉降为2.1 mm，根据规范对安全控制指标的分配，将盾构下穿的控制指标按Ⅱ类控制。

表4 地铁设施变形情况

3.3 类似工程调研统计法

为制定相适应的安全控制指标，采用对同类工程进行对比分析，并结合规范要求经综合确定，文献[20]中对各主要城市出现的暗挖下穿既有运营地铁设施进行了统计分析，统计结果显示，各穿越工程均以竖向变形和沉降差作为其主要控制指标，竖向变形均控制在10 mm以内，沉降差控制在4 mm以内。

综合国家行业控制标准、杭州地方标准及类似工程调研，各项结构安全控制指标均偏大，不利于既有结构的安全状态评估。

4 基础变位对既有结构影响分析

传统的既有地铁设施变形控制标准是基于相应规范及国内类似工程经验综合确定。在实际工程中，结构地基发生不均匀沉降，将导致既有结构中产生附加内力，直接影响结构受力性能及耐久性。鉴于此，提出一种基于基础变位影响下控制标准分析方法，通过基础变位变化推算出结构受力状态，进而判断结构的受力性能和耐久性是否满足要求，反算出结构允许发生的变形量。

4.1 荷载取值

一般而言，发生基础变位后对结构底板和底纵梁的受力影响最大，而底板受力方向与纵梁方向相互垂直，本工程盾构下穿位置近乎垂直于既有车站，发生基础变位后，结构横向差异沉降不大，主要在纵向发生不均匀沉降。因此，对选取结构底纵梁受力进行分析，寻求结构变形允许值。

根据传统车站设计方法，车站底纵梁设计计算采用2种荷载，一是根据二维荷载结构模型计算得出柱端轴力，平均分配到梁上作为其外部荷载；二是采用底板水压根据相应板跨作用到梁上作为其外部作用，两者按最不利考虑。考虑到车站结构是三维受力状态，实际结构底纵梁受力要比设计经验取值小。为反算出结构基础变位的允许值，可采用三维荷载结构模型分析出结构受力状态，反推出底纵梁上等效均布荷载。表5给出了以上3种不同工况下底纵梁等效荷载，结果表明，设计计算中等效荷载是实际使用状况下的2倍左右。

表5 荷载取值

结构的受力状态一般为三维受力状态，为充分发挥结构的承载能力，选取三维受力状态反算出的等效荷载与基础变位共同作用，进而反分析出结构安全控制指标。

4.2 承载能力分析

既有车站结构施工图设计资料表明，既有车站结构底板厚900 mm，底纵梁1 200 mm×1 900 mm，标准净跨9.75 m，梁、板混凝土强度等级均为C35，其中，裂缝限值按原设计考虑，底纵梁分析采用多跨连续梁模型，荷载采用三维受力状态反算出的等效荷载。根据既有结构设计资料，对结构底纵梁承载能力极限状态和正常使用极限状态的控制弯矩进行反算，得到分析结果见表6。

表6 结构底纵梁控制弯矩

4.3 基础变位影响分析

为评估新建隧道下穿既有车站沉降对结构的影响，并评判结构相应的安全性能，需把基础变位影响计入到结构分析当中。根据结构力学原理，应将基础变位考虑到支座变形当中，进而分析得出既有车站结构的变形控制指标。

评估一般原则：当考虑基础变位影响得到的内力未超过其承载能力，那么结构是安全的；反之结构不安全。针对相应基础变位下的影响对底纵梁内力进行分析，并与表6中控制弯矩值对比，分析每一工况下的安全储备。表7、表8给出了基础变位下底纵梁跨中、支点内力及相应安全系数。

表7 支点沉降纵梁内力

表8 支点隆起纵梁内力

结果分析表明，无论是沉降还是隆起，当基础变位达到一定限值后，支点部位首先因达到正常使用极限状态(裂缝超限)而不适用于继续承载。在充分利用梁体承载潜能的前提下，确保结构正常使用过程中裂缝小于设计要求，底纵梁变形控制指标应按-4～6 mm取值。

综上所述，结合规范分析、国内类似工程经验和结构受力反算，既有车站结构变形控制指标应为-4～6 mm，相邻柱差异沉降宜按2 mm控制。

5 盾构隧道下穿既有站安全性评价

采用Midas GTS有限元软件，对盾构隧道穿越既有站进行三维建模分析，得出盾构隧道对既有车站的变形影响，进一步判断既有结构运营安全。

5.1 分析模型及参数

为减少边界效应影响，模型计算范围按左右边界距离隧道埋深3～5倍考虑，整个计算模型尺寸为150 m×150 m×70 m(盾构隧道埋深18.5 m，隧道距离车站结构底板1.1 m)，三维计算模型及局部模型分别见图3、图4。

图3 盾构隧道下穿已运营车站整体模型

图4 盾构隧道下穿已运营车站局部模型

土体及加固体本构模型采用修正-摩尔库伦模型，单元类型采用实体单元；既有车站、新建车站、盾构管片和地连墙等结构构件采用线弹性模型，结构板及管片采用板单元，梁柱采用梁单元模拟；为充分模拟盾构开挖过程，将地连墙采用实体单元模拟。相关地层物理力学参数见表9，地铁设施相关设计参数见表10。

表9 土层物理力学参数

表10 结构参数

5.2 施工步序模拟

本次计算按实际工况进行模拟，主要分为4个计算步骤，其中，第1步为地层初始应力及车站施工并将位移清零；第2～4步为主要盾构施工工况，用以分析端头加固及盾构下穿引起的地铁设施变形情况，并根据变化情况对既有车站结构安全性进行评价，模型分析工况见表11。

表11 施工分析工况

5.3 计算结果分析

以两隧道中心为对称轴(Z轴)，右线隧道方向为X轴正方向建立坐标系，车站结构变形随着盾构施工的进行不断变化，图5、图6分别给出了车站底板中心和底纵梁位移分布曲线，图7、图8为既有站位移云图。

图5 底板中央位移分布曲线

图6 底纵梁位移分布曲线

图7 既有站整体位移云图

图8 既有站底板位移云图

图5～图8结果显示，随着开挖进行，车站底板中央和底纵梁沉降最大值分布在隧道正上方，呈现出明显“沉降槽”特征，沿隧道中心线两侧变形呈减少趋势，大致距离隧道中心约18 m(3倍洞径)变形基本为0；右线隧道施工完成后，底板和底纵梁沉降达最大值，左线施工过程中，整个变形呈现先增大后减少趋势；施工完成后，既有车站结构最大沉降达到2.3 mm，底纵梁最大沉降达到2.0 mm，其结构最大变形控制在制定的沉降控制标准4 mm以内，既有地铁车站结构变形在安全可控范围。

5.4 盾构穿越方案评价

在盾构隧道近距离下穿既有车站时，为验证盾构下穿方案的合理性和可靠性，同时准确反映盾构隧道施工对既有车站的动态变化，对技术措施进行及时调整，实现信息化施工，保证既有地铁车站安全运行，在既有隧道内布设变形监测点，对车站实行全自动化监测。

下穿段结构变形测点主要布置在隧道周边30 m范围内，每隔5 m设置一个断面。每个断面布置4个结构变形监测点和2个道床监测点，既有站监测点布置见图9。

图9 既有站监测点布置

盾构隧道穿越施工完成后，既有线隧道道床沉降如图10所示，既有结构道床沉降最大发生位置略微偏离隧道正上方。这是因为隧道正上方土体加固后有效减少了结构沉降，使得沉降槽向两侧移动。既有车站道床结构最大沉降值达到2.1 mm，与三维分析得到的结构沉降基本一致，且小于本文确定的变形控制指标，结构处在安全可控范围之内。

图10 既有站沉降曲线

综上所述，通过有限元模拟、现场实测等手段，结合本文确定的变形控制指标，盾构穿越施工全过程中，既有站沉降控制在4 mm以内，既有站处在安全控制范围之内。

6 结论

以杭州某地铁车站下穿已运营车站为背景，采用传统分析法和经典力学分析方法确定既有车站结构的变形控制标准，通过三维有限元分析和实测等手段，验证了分析结果的可靠性和有效性，确保了工程的顺利实施，结论如下。

(1)盾构隧道近距离穿越既有地铁车站施工前，对已运营线路进行全面检查和评估，通过长期监测数据及现状情况综合确定结构安全状况为Ⅱ类，参考相关标准及类似工程，初步确定了既有车站结构的水平及竖向变形控制指标为10 mm。

(2)为满足结构极限状态受力及耐久性要求，采用经典力学理论以多跨连续梁为模型，通过承载力极限状态和正常使用极限状态反分析出既有结构变形控制指标为-4～6 mm。

(3)通过数值模拟分析了盾构下穿既有站的变形情况，并结合监测结果表明，盾构施工全过程中已运营地铁车站的沉降变形均处在安全可控范围之内，验证了变形准则的有效性。