隧道密贴下穿既有车站差异性沉降控制研究

王军赵春鑫梁尔斌吴圣智

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101； 2.中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

随着我国经济发展带动城市化建设，对城市轨道交通的需求日益增加，新增地铁隧道与既有地铁隧道相交的情况也更加常见，为了尽可能减少换乘距离，新建车站一般都采取正交下穿既有车站的施工方法，难免会遇到下穿既有车站变形缝的情况，如何控制变形缝处差异性沉降，同时确保暗挖车站的施工安全，是目前隧道施工面临的一个难题[1]，桩基托换作为一种安全、可靠且对既有建筑物影响小的技术，已成为解决这类问题的重要方法[2-3]。

专家学者们针对隧道施工中的桩基托换和暗挖车站下穿对既有地铁车站沉降影响，做了一系列的研究与分析，其中也包括下穿既有建筑物变形缝的情况，但主要是变形缝左、右侧结构刚度相同的工程。何海健等[4]在国内暗挖车站下穿既有车站工程案例分析的基础上，系统地归纳了现有下穿技术措施。许锋[5]、王建涛等[6]和陈启辉等[7]介绍了一系列暗挖下穿既有地铁车站的监控量测方法。赵良云等[8]采用工程类比、理论研究和有限元分析的方法，基于地质条件，研究了既有地铁车站的变形控制。唐贵和等[9]介绍了广州地铁6 号线下穿某既有建筑物时使用的桩基托换技术的施工工艺，及托换工程中的监测方案。李红等[10]为规避隧道下穿工程施工过程中出现的地表沉降、地下管道变形与隧道坍塌等现象，提出隧道桩基主动托换加固效果仿真评价方法。朱正国等[11]依托实际工程进行数值模拟计算，总结出既有车站的沉降与开挖步的关系。张文龙[12]提出了考虑变形缝因素的Pasternak 地基模型解析解，并且以清华园盾构隧道下穿某一区间结构验证了地基模型的有效性。陶连金等[13]用杆单元连接变形缝，分析了变形缝处的沉降以及两侧既有结构。郑刚等[14]结合现场监测和有限元模拟，得出变形缝会削弱结构刚度、加剧结构沉降的结论。杜文等[15]通过数值模拟与实际监测数据相结合的研究方法，得出千斤顶可有效控制变形缝处差异性沉降的结论。大多数学者对下穿既有车站的施工方法以及既有车站的沉降研究较多，而对既有车站变形缝处沉降的研究较少，尤其是对变形缝两侧结构刚度不一样的研究更为少见。

因此，依托北京M16 号线苏州街站下穿M10 号线苏州街站工程，采用数值模拟和现场数据研究既有地铁车站的沉降，得出既有结构变形缝处的沉降规律，可为类似新建隧道密贴下穿变形缝两侧刚度不同的既有建(构)筑物提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

16 号线苏州街站地处苏州街路，与海淀南路上的10 号线苏州街站在十字路口处相交，如图1 所示。下穿段10 号线苏州街站为单双层设计，单层段与双层段之间有20 mm 宽变形缝，如图2 所示。由于变形缝处只能传递压力而不能传递弯矩和剪力，为了防止差异性沉降过大，将单双层交界处底板设计为承插口形式，如图3 所示。

图1 苏州街站平面示意图

图2 M10 号线变形缝示意图

图3 底板变形缝构造图示意图

受10 号线埋深控制，16 号线苏州街站采用端厅形式，其中下穿段车站为平顶直墙矩形结构形式，施工方法为暗挖法施工，其中左、右线断面分别为9.4 m×8.8 m和9.4 m×7.7 m。

1.2 工程地质和施工方法

根据岩土详勘报告，车站场区地质分布情况从上到下分别是杂填土①层、粉质黏土③层、粉土③层、细粉砂③层、卵石⑤层、卵石⑦层、粉质黏土⑧层和卵石⑨层，具体分布情况如图4 所示。

图4 地质情况剖面图/mm

下穿段采用了洞桩托换法施工，导洞开挖时，在开挖验证全断面注浆加固地层超前支护效果的前提下，可取消留核心土进行全断面开挖，以尽快封闭成环。初期支护施工后，应及时对拱顶背后进行回填注浆，注浆浆液采用1∶1 水泥浆，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa。导洞开挖完成后进行钻孔灌注桩施工，然后进行桩顶托梁施工。导洞内闭合二衬结构施作完毕后，经检验强度达到设计要求后，在既有车站底板下按照设计位置安装千斤顶，施工工序示意图如图5 所示。

图5 施工工序示意图

1.3 千斤顶分阶段顶升沉降控制措施

1.3.1 托换体系

现阶段我国对下穿工程中既有线的变形控制标准越来越严格，以北京为例，北京地铁下穿工程中既有线沉降控制标准为3 mm，为满足这一标准要求，工程使用了千斤顶顶升主动托换技术。采用的千斤顶的直径为800 mm、高度为750 mm、净重为1.82 t，行程为550 mm，单台千斤顶顶升力为1 000 t。千斤顶按照设计位置布置在既有车站底板下，通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller， PLC)控制系统同步控制，系统额定压力、最大流量分别为63 MPa、1.7 L/min， 同步精度、速度分别为0.1 mm和0.5～1 mm/min。千斤顶布置图如图6 所示。

图6 千斤顶布置图

PLC 控制系统由液压系统(油泵、油缸等)、检测传感器和计算机控制系统等部分组成，可以全自动完成同步移位，实现力和位移控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能。

1.3.2 千斤顶分阶段控制方法

千斤顶同步顶升分为3 个阶段，分别是边导洞千斤顶预压顶升阶段、整体顶升阶段和新建单层体施工结束沉降补偿阶段。

边导洞内围护结构施工结束之后，当强度达到设计要求时，千斤顶统一接入PLC 控制系统进行预压顶升。当既有车站底板上方监测点产生的隆起量为0.2 mm≤δ≤0.5 mm 时，需要马上停止顶升，然后使用电磁球阀保压。

3.3 长效常态教育与培训对提高护士职业性腰背痛知识水平的必要性 针对护士流失率逐年上升［6］;护士不断更新以及习惯容易反复的现状，提高护士职业性腰背痛的认知水平是一个长期的过程。作为医院的管理者，必须对此问题有全面的认识，阶段性的培训只能代表现阶段的结果。因此，建立长效常态机制开展综合教育与培训，提高护士职业性腰背痛认知水平是非常必要的，如此方能减少护士职业性腰背痛的发生，确保护理质量，提高护士和患者的满意度。

中导洞内所有围护结构施工结束之后，当强度达到设计要求时，使用PLC 控制系统进行整体顶升。当既有车站底板上方监测点产生的隆起量δ在为0.2 mm≤δ≤0.5 mm 时，需要马上停止顶升，然后使用电磁球阀保压。

为了补偿下穿段施工时既有车站产生的沉降，当新建车站的闭合二衬结构经检测强度达到设计要求后，通过PLC 系统操作全部千斤顶开始顶升作业，顶升距离最多不得高于既有车站已产生的沉降量，待顶升结束后，使用电磁球阀保压。

2 变形缝两侧差异性沉降数值模拟

基于弹性地基梁理论建立暗挖车站下穿既有地铁车站的沉降计算模型，并就苏州街站下穿增层工程进行计算。苏州街站的托换方式采取的是千斤顶顶升，由于下穿段上方既有10 号线苏州街站单层段和双层段之间存在变形缝，在考虑模型参数时除了千斤顶顶升力，还需要考虑变形缝处两侧底板承插口对差异性沉降的影响。

2.1 数值模型

采用有限元软件GTS NX 进行建模分析，模型采用弹性本构模型。模型包括了既有地铁车站双层段和单层段，其中双层段宽为26 m、高为16 m，而单层段宽为16 m、高为10 m。建模时长度各取100 m；模型上表面为没有约束的自由面，周边的4 个表面约束法线方向的位移，下表面约束3 个方向的位移；将既有车站简化为理想的弹性材料，不考虑地下水的渗流作用，变形缝两侧结构通过弹性弹簧进行连接，不考虑防水材料的弱连接，而结构与土体之间的相互作用采用曲面弹簧进行代替，以此来模拟弹性地基梁，示意图如图7 所示。根据以上数据及假设建立有限元模型，模型节点总数为129 309 个，单元总数为190 852 个，如图8 所示。

图7 弹性地基梁模型示意图

图8 有限元模型示意图

2.2 主要参数

根据施工前检测推定10 号线苏州街站结构混凝土强度等级达到C40，既有车站模型尺寸按照实际尺寸取值，截面形状为矩形，采用3D 实体单元建模，本构模型选取弹性本构模型，取弹性模量为32 500 GPa、泊松比为0.2、密度为23 kg/m2。根据实际地质情况和工况算出不同埋深时的土压力，土压力取值见表1。在模型中通过曲面弹簧模拟结构与土体之间的相互作用，曲面弹簧的关键参数为地基反力系数，根据实际地质情况，地基反力系数取30 000 kN/m2。千斤顶力采用均布荷载的方式施加。

表1 土压力表单位:kN·m-2

2.3 结果与分析

既有地铁车站在下穿隧道施工结束后的主应力云图如图9 所示。既有车站最大压应力为3.0 MPa，仅为抗压强度设计值的15%，而最大拉应力为1.6 MPa，占抗拉强度设计值的93%，仍在安全范围内，能够保证既有车站结构安全。

图9 主应力云图

2.3.1 承插口结构应力分析

承插口结构作为防止变形缝产生差异性沉降的重要部位，需要单独进行应力分析，承插口处应力云图如图10 所示，图中线框框取部位即为承插口结构，节点编号从左往右依次是1～33。提取整个施工过程中承插口处应力变化数据进行分析，如图11所示。

图10 承插口应力云图

图11 施工过程承插口应力变化曲线

由图11 可以看出，施工进程对承插口处应力影响非常大。压应力峰值分别出现在边导洞开挖时承插口两侧位置和中导洞开挖时承插口中部位置，其值均为2.8 MPa。从整体上看，承插口压应力先随着边导洞施工开挖逐渐增大到峰值，在加入边导洞千斤顶力后约下降到1.8 MPa。之后，随着中导洞的开挖，承插口压应力再一次达到峰值，直至中导洞安装千斤顶后承插口应力才下降到0.5 ～1.3 MPa之间，由此可见，承插口和千斤顶都能有效缓解变形缝处产生差异性沉降。

从整体上看，在中导洞开挖前承插口应力变化并不大，并且应力最大值都出现在中部，在中导洞开挖后承插口应力变化起伏较大，承插口中部也变成了应力最小的地方。初步分析是因为导洞开挖时既有车站产生沉降，但由于既有车站两端连接的几乎是无限长的刚体，且车站侧面也有土压力加持，所以变形缝处受沉降影响显著，而其中变形缝中部即承插口中部受到的影响最大，所以呈现出承插口中部压应力大于两边的现象。

承插口压应力随导洞开挖而增大，是因为既有车站产生沉降后，变形缝左、右两侧由于差异性沉降而压迫承插口造成的。加入千斤顶后，其主动顶升力可以有效控制变形缝处差异性沉降，进一步减缓了承插口的压迫作用，所以承插口压应力会随着千斤顶的加入而减小。

2.3.2 变形缝沉降分析

不同施工阶段既有车站沉降云图如图12 所示。为了更加准确地分析变形缝处的差异性沉降，提取不同施工阶段的既有车站变形缝两侧沉降和中线沉降绘制曲线，如图13、14 所示。

图12 既有车站沉降云图

由图13 可知，既有车站整体沉降特征为变形缝处沉降较大，而远离变形缝处两端沉降较小，大致呈U 形，符合越临近下穿段施工位置，既有车站受开挖影响越大的规律。对比既有车站单层段和双层段的整体沉降，可看出单层段沉降比双层段高了约1 mm，说明单层段比上层段更容易受到施工影响。其中沉降最大值出现在土方开挖阶段节点9-2 处，其值达到了7.6 mm。

在边导洞开挖阶段，边导洞上方节点沉降值均高于两侧节点沉降值，呈现出W 形趋势，这是由于开挖土体扰动造成的，而变形缝处采取了承插口设计，在变形缝处产生沉降时可加强两侧底板联系，所以变形缝处差异性沉降并不大，其值仅为0.15 mm。在初次安装千斤顶之后，由于千斤顶的主动调节功能，沉降趋势几乎稳定。中导洞开挖阶段与土方开挖阶段并没有造成过大不均匀沉降，而是在开挖之前的基础上产生了进一步整体沉降，但由于采用了围护结构体系和主动托换措施，造成的沉降并不大，其中中导洞开挖较上一阶段沉降了0.6 mm，土方开挖较上一阶段沉降了0.4 mm。

由图13 和14 可知，变形缝处沉降呈现出中间沉降大，两端沉降小的规律，差异性沉降值在0.1 ～0.4 mm 之间波动，处于安全可控范围内。

图13 既有车站变形缝两侧模拟沉降对比曲线图

图14 既有车站中线模拟沉降对比曲线图

3 既有车站沉降监测分析

为保障在暗挖期间不影响既有10 号线的日常使用，需要对既有车站进行沉降监测，测点布设在施工导洞周边及拱顶上方，地面钻孔60 cm，到达原状土后灌入细砂，然后安置80 cm 长的Φ20 钢筋，使用全站仪进行观测，测点布置图如图15 所示。

图15 既有车站沉降测点布置图

截取隧道下穿整个施工期间的沉降监测数据，根据施工方法可分为5 个时间段，绘制各个时间段既有车站变形缝左、右两侧沉降图和中线沉降图，分别如图16、17 所示。

图16 既有车站变形缝两侧实测沉降对比曲线图

图17 既有车站中线实测对比沉降曲线图

根据图16 和17 分析可知:

(1)在两侧小导洞开挖和初期支护阶段，由于JG6-2 和JG10-2 离边导洞最近，所以受扰动影响最为严重，两测点沉降值分别为-1.34 和-1.21 mm。即使未施作围护体系，变形缝处差异性沉降也仅为0.1 mm，说明既有车站变形缝两侧底板采用承插口设计可有效减少变形缝处差异性沉降。该阶段既有车站沉降趋势呈现出边导洞附近测点沉降较大，越远离边导洞位置的测点沉降越小，最远端两侧测点甚至出现隆起，隆起最大值为JG2-2 的0.61 mm，初步分析是因为边导洞处沉降过大而导致远端被翘起。

(2)在边导洞施作钻孔灌注桩和托梁阶段，边导洞上方测点沉降值虽然较上一阶段仍增大，但沉降趋势却截然相反，其中JG7-2 测点就比相邻测点沉降小，呈现出局部被顶升的趋势。该阶段变形缝处差异性沉降为0.09 mm，既有车站两端隆起值也趋于0，初步分析是因为施作围护结构及托梁后，结构有了围护体系，受力相对稳定。

(3)在边导洞埋置千斤顶和中导洞开挖阶段，该阶段既有车站沉降曲线呈现U 形，变形缝处差异性沉降为0.05 mm。而沉降最大值为-1.96 mm，出现在中导洞上方测点JG8-2 处，受中导洞开挖影响并不大，初步分析是由于边导洞受千斤顶顶升控制。综上所述，千斤顶主动托换对控制变形缝处差异性沉降具有显著作用。

(4)在中导洞施作钻孔灌注桩并埋置千斤顶阶段，整体沉降曲线与上一阶段几乎相同。JG8-2 相较两侧测点沉降下降约0.05 mm，初步分析是因为中导洞施作钻孔灌注桩顶升造成的。变形缝处差异性沉降为0.06 mm，较上一阶段无明显变化。

(5)在土方开挖及拱顶衬砌阶段，整体沉降趋势与上一阶段相比只有下穿段处略有增大，其余部分并无明显变化，这是由于土方开挖扰动造成的。变形缝处差异性沉降为0.05 mm，并未受到严重扰动影响。从整体来看，变形缝左侧整体沉降比右侧稍大，证明单层段比双层段更容易受到施工的影响。

4 结论

为了满足隧道下穿既有车站变形缝处差异性沉降要求，通过数值模拟和工程实测，基于平顶直墙暗挖＋千斤顶主动托换的施工方法，深入研究了既有车站变形缝两侧差异性沉降，主要得出以下结论:

(1)施工期间既有车站沉降最大值为-2.04 mm，变形缝处差异性沉降最大值为0.12 mm，表明千斤顶主动托换的施工方法可以有效地将既有车站的沉降控制在安全范围内。

(2)密贴下穿施工时，既有结构变形缝处会产生一定差异性沉降，由于受上方覆土的影响单层段的沉降会大于双层段的。

(3)变形缝两侧底板采用了承插口设计，数值分析表明，承插口应力先是随着施工开挖增大，而后随着千斤顶顶力的施加变小，证明承插口和千斤顶均能缓解既有车站变形缝处差异性沉降。