盾构隧道近距斜交下穿既有地铁车站变形沉降数值模拟分析

董辰浩

（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

随着城市轨道交通建设的快速发展，由于地下空间的局限性，新建地铁隧道修建过程中不可避免地要下穿既有地铁车站。目前，地铁隧道建设常用盾构机进行施工，掘进施工过程控制不当容易引起隧道周围地层土体扰动，继而对车站主体结构受力状态产生影响［1］。因此，地铁车站对沉降变形控制精度要求较高。为确保施工安全及既有线路的平稳运行，本研究以实际工程为例，采用数值模拟软件建立三维模型，分析研究地铁隧道近距离斜交下穿施工对既有地铁车站的影响［2］，以期指导实际下穿施工过程，最大限度地降低施工风险，并结合监测数据验证该模拟结果的准确性及可行性。

1 工程概况

某地铁车站为地下三层双柱三跨车站，车站主体和附属结构均采用明挖法施工，拟建隧道采用盾构法进行施工。盾构隧道穿越车站应斜切止水帷幕、钻孔灌注桩、车站中部临时立柱桩及车站区间分界地连墙，穿越围护桩角度为76.6°，下穿既有站后进行盾构接收工作。盾构施工采用土压平衡盾构机，区间管片厚度为0.35 m，内径为5.5 m，环宽为1.5 m。

端头隧道主要位于A②51 细砂层中，端头加固区域主要位于A②22 粉质黏土层和A②51 细砂层。采用冷冻法加固，加固体为杯状，杯壁厚度2 m，纵向长度为12 m，杯底厚度为3.5 m。

既有车站净宽为22.1 m，穿越长度为22.7 m，宽度为24.1 m。下穿既有车站时，盾构隧道顶距离车站底板最小竖直净距约为2.18 m，距离车站底板下方预留换乘通道最小净距1.2 m。拟建隧道下穿既有站横剖面位置关系如图1所示。

图1 盾构隧道下穿既有站横剖面位置关系

2 地质条件

2.1 工程地质

根据区域地质资料，穿越段车站及区间隧道所处地层自上而下为A①1层杂填土、A②31C粉砂、A②31 黏质粉土、A②32 黏质粉土、A②41 粉砂、A②22 粉质黏土、A②51 细砂，下穿段盾构区间隧道主要位于A②51 细砂层，层厚8.40～18.80 m。据调查，场地内未发现诸如塌陷、岩溶、地面沉降及裂缝等不良地质作用。

2.2 水文地质

该工程地下水类型属第四系松散孔隙潜水，主要赋存于30 m 以上的黏质粉土、粉砂、细砂层中。穿越既有站隧道主要位于细砂层，稳定地下水位埋深为地面以下13.5 m，区间隧道拱顶以上4.6 m。

3 变形数值模拟

3.1 计算方法

地下结构计算理论模型可分为连续介质模型（地层—结构模型）、作用与反作用模型（荷载—结构模型），考虑到新建区间隧道施工引起既有地铁车站的变形与地层密切相关，此工程采用地层—结构模型进行分析［3］。

3.2 基本假定

由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能和严格按照实际的施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化［4］。在本次数值模拟中采用了以下假设：①初始应力场的模拟，根据勘察报告提供的不同土层剖面，根据不同的土体分层条件和重度，计算新建工程施工前土体初始应力场分布，考虑既有地铁结构对初始应力场的影响［5］；②介质的模拟，岩土体采用修正莫尔-库伦弹塑性模型，采用实体单元模拟；车站结构墙板、盾壳、管片、盖板等采用板单元模拟；结构梁、柱、钻孔灌注桩等采用梁单元进行模拟；③边界条件的模拟，对计算土体的底面约束竖向Z的位移，侧面分别约束横向X、纵向Y的位移，地表为自由面［6］；④施工阶段的模拟，通过有限元软件的“激活单元、钝化单元”模拟施工对既有地铁车站及附属结构的影响。

3.3 计算参数

根据地勘单位提供的地勘资料和报告，在深度60 m 的模型范围内按照土层参数相近原则划分为5 层土体。采用实体单元模拟土体，选取模型土体材料参数见表1。

表1 土体模型材料参数

在盾构隧道施工阶段，车站结构及区间隧道衬砌处于弹性变形阶段，故采用板单元模拟地铁结构及盾构机盾壳，采用梁单元模拟结构梁柱等［7］。具体参数见表2。

表2 结构模型材料参数

3.4 模型建立

根据新建隧道施工对既有站的外部作业风险影响等级，结合施工过程中的空间效应，重点分析既有站南端接收端地层加固—区间左线隧道掘进及盾构接收—区间右线隧道掘进及盾构接收对既有地铁车站的影响。

模型尺寸分别为350 m×300 m×60 m，采用混合六面体单元，模型共有225 887 个单元，124 271 个节点，施工期间按照每18 m 一个掘进单元进行模拟［8］，左右线隧道中心间距17 m，隧道覆土25.4 m，管片外径6.2 m，厚度0.35 m，先进行左线隧道掘进施工，后进行右线隧道掘进施工。据此建立模型，相对位置关系和网格划分如图2所示。

图2 空间网格模型

3.5 分析工况设置

结合实际施工组织计划，在数值模拟分析时，按照以下施工顺序进行模拟：初始地应力平衡（Step0）—车站主体及附属结构施工和地应力平衡（Step1）—既有站接收端地层加固（Step2）—左线盾构掘进及接收（Step3-7）—右线盾构掘进及接收（Step8-12）。

4 结果分析

4.1 既有车站主体结构竖向变形

经模拟分析，既有车站主体结构竖向变形云图如图3 至图6 所示，车站主体结构底部在不同施工步序下竖向变形情况见表3。

表3 车站主体结构底部在不同施工步序下竖向变形

图3 既有车站接收端地层加固（0.13 mm）

图4 区间左线隧道掘进及接收（-1.65 mm）

图5 右线隧道掘进及接收（-2.85 mm）

图6 车站主体结构竖向变形趋势图（随施工步序）

由表3 可知，在区间隧道接收端地层加固过程中，车站底部竖向最大变形为上浮0.13 mm；在区间左线隧道盾构施工过程中，车站底部竖向最大变形为沉降1.65 mm；在区间右线隧道盾构施工过程中，底部竖向最大变形为沉降2.85 mm。

4.2 既有车站主体结构水平变形

经模拟分析，既有车站主体结构水平变形云图如图7至图10所示，车站主体结构在不同施工步序下水平变形情况见表4。

表4 车站主体结构在不同施工步序下水平变形

图7 既有站接收端地层加固（0.04 mm）

图8 区间左线隧道掘进及接收（-1.05 mm）

图9 区间右线隧道掘进及接收（-1.54 mm）

图10 车站主体结构水平变形趋势图（随施工步序）

由表4 可知，在区间隧道接收端地层加固过程中，车站底部水平最大变形为-0.04 mm；在区间左线隧道盾构施工过程中，既有站底部水平最大变形为-1.05 mm；在区间右线隧道盾构施工过程中，既有车站底部水平最大变形为-1.71 mm。

4.3 施工实际监测数据

为及时掌握地铁车站和附属结构、轨道的变形数据，以及盾构施工对周边建筑物和管线的影响，预防工程破坏事故和环境事故的发生，在监测对象变形和内力的关键特征点上布设监测点。在工程施工前对地铁车站的变形情况进行复测，从测定监测项目初始值开始，至外部作业完成且数据趋于稳定后结束。下穿施工引起既有车站沉降位移变化曲线如图11所示。

图11 盾构隧道下穿施工既有车站沉降位移变化曲线

拟建隧道穿越既有地铁车站时，盾构隧道经过车站主体结构正上方区域为扰动区域。实际监测数据显示车站左线区域最大沉降值为-1.71 mm，右线区域最大沉降值为-2.62 mm；车站左线区域水平位移最大值为-1.15 mm，右线区域水平位移最大值为-1.67 mm。

5 结论

本研究通过建立三维有限元模型，分析计算施工新建盾构隧道对既有地铁车站的影响，研究既有车站主体结构竖向变形及水平位移变化规律，将计算结果与实际施工监测数据进行对比，得出以下结论。

①理论计算及实际监测数据均满足变形控制指标，新建隧道施工对既有车站的影响在评估允许的安全范围内。

②预测结果与实际监测数据均显示，新建右线隧道施工过程对既有地铁车站影响较大，应加强现场监测，及时跟进二次注浆的过程，加固周围土体，减少后续沉降。

③通过对比分析，三维模型计算预测结果与实际监测数据相近，且保持较高的关联度，验证了采用该模型分析预测地铁车站变形规律的可行性。研究成果为分析隧道下穿施工引起的沉降变形提供了理论依据。