地鐵隧道鄰近施工引起既有車站變形分析

周海清 周彥良

(1.中國葛洲壩集團(tuán)第一工程公司，湖北 宜昌 443002;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著城市地鐵的大量修建，全國各地出現(xiàn)了很多新建地鐵隧道在既有地下結(jié)構(gòu)鄰近施工的工程［1］。按照新建隧道與既有結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，主要有鄰近正交下穿、鄰近斜交下穿及鄰近平行下穿等幾種情況［2-4］。新建地鐵隧道施作勢(shì)必會(huì)擾動(dòng)其周圍的地層，對(duì)鄰近既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，主要包括變形(位移)和應(yīng)力(內(nèi)力)兩個(gè)方面，其中變形(位移)是導(dǎo)致既有地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)改變的主控因素。故在分析中應(yīng)重點(diǎn)分析新建地鐵隧道施工對(duì)鄰近既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沉降影響。

以某市地鐵2號(hào)線鄰近既有地鐵車站下穿工程為基礎(chǔ)，基于MIDAS/GTS有限元分析軟件建立大型三維整體式地下結(jié)構(gòu)—地基有限元分析模型進(jìn)行分析計(jì)算，分析地鐵隧道鄰近施工引起既有地鐵車站的變形(位移)規(guī)律。

1 有限元分析模型的建立

1.1 工程概況

某市地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道鄰近平行下穿既有地鐵車站，區(qū)間隧道距既有車站橫向約2.60 m，豎向約為15.60 m。其中區(qū)間隧道為直徑線，基本埋深27.95 m，外徑6.00 m，采用盾構(gòu)法施工，C50鋼筋混凝土管片拼接式襯砌，襯砌管片厚度為0.30 m;既有地鐵車站為明挖法施工，埋深4.50 m，車站橫向?qū)?9.70 m，高7.85 m，車站縱向長(zhǎng)度約為70 m，車站站臺(tái)結(jié)構(gòu)為中央島式，C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂板厚1.00 m，邊墻厚0.70 m，底板厚0.90 m，車站柱尺寸為0.60 m×0.60 m。

1.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

根據(jù)新建地鐵隧道的工程概況選取有限元計(jì)算模型長(zhǎng)寬高為80 m×60 m×60 m，新建地鐵隧道及既有車站周圍土體采用實(shí)體單元模擬，新建隧道襯砌采用板單元模擬，既有地鐵車站結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，其中土體采用Mohr-Coulomb材料模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

假設(shè)工程范圍內(nèi)的各層土體為各向同性介質(zhì)，不同土層之間有理想的分界面且滿足位移協(xié)調(diào)條件，新建隧道襯砌結(jié)構(gòu)和既有地鐵車站結(jié)構(gòu)與其周圍土體為理想接觸。模型邊界采用一致邊界，即在沿模型X向邊界面上施加X向的水平位移約束，在沿模型Y向邊界面上施加Y向水平位移約束，在沿模型豎向邊界面上施加Z向的豎向位移約束。各土層及結(jié)構(gòu)混凝土材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1，模型網(wǎng)格劃分如圖1，圖2所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 整體模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖2 隧道襯砌及既有車站網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 施工階段模擬

新建地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，施工階段按以下步驟模擬計(jì)算:

1)激活各土層單元和既有車站結(jié)構(gòu)單元，施加重力荷載進(jìn)行初始應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算完成后位移清零;2)開挖土體，每一循環(huán)施工進(jìn)尺為2 m，每次開挖完成后即進(jìn)行管片襯砌的施加(激活相應(yīng)的管片襯砌單元)，計(jì)算完成后保存當(dāng)前階段的計(jì)算結(jié)果。整個(gè)施工階段共30個(gè)開挖進(jìn)尺循環(huán)，開挖總進(jìn)尺為60 m，整個(gè)模型計(jì)算31步。

2 既有地鐵車站計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 既有車站變形計(jì)算結(jié)果

1)觀測(cè)點(diǎn)的選取。

在既有地鐵車站前端橫向截面選擇左邊墻底(1號(hào))、左柱底(2號(hào))、底板中(3號(hào))、右柱底(4號(hào))、右邊墻底(5號(hào))為車站橫向豎向變形觀測(cè)點(diǎn);選擇左邊墻底(1號(hào))、左邊墻中(6號(hào))、左邊墻頂(7號(hào))為車站橫向水平變形觀測(cè)點(diǎn)。沿既有車站縱向底板中部每隔6 m依次選取車站縱向豎向變形觀測(cè)點(diǎn)(共11個(gè))，沿既有車站縱向左邊墻中部間隔6 m依次選取車站縱向水平變形觀測(cè)點(diǎn)(共11個(gè))。

2)計(jì)算結(jié)果。

既有車站端部橫截面各觀測(cè)點(diǎn)(1號(hào)～5號(hào))隨新建地鐵隧道施工進(jìn)程的豎向變形曲線如圖3所示，各觀測(cè)點(diǎn)(1號(hào)，6號(hào)，7號(hào))隨新建地鐵隧道施工的水平變形曲線如圖4所示;沿既有車站縱向各觀測(cè)點(diǎn)隨新建地鐵隧道施工進(jìn)程的豎向位移變化曲線如圖5所示，水平位移變化曲線如圖6所示。各施工階段既有車站整體位移云圖如圖7～圖10所示。

圖3 既有車站橫截面各觀測(cè)點(diǎn)豎向變形曲線

圖4 既有車站橫截面各觀測(cè)點(diǎn)水平變形曲線

圖5 沿既有車站縱向各測(cè)點(diǎn)豎向變形曲線

圖6 沿既有車站縱向各測(cè)點(diǎn)水平變形曲線

2.2 既有車站變形分析

1)豎向變形分析。

由圖3可以看出，隨著新建地鐵隧道開挖距離的增加，既有地鐵車站底板橫向各點(diǎn)的豎向變形逐漸增大，且0 m～30 m開挖區(qū)間的增大速度比30 m～60 m開挖區(qū)間的大，說明新建地鐵開挖施工引起的車站變形的累積效應(yīng)在減小。同時(shí)，1號(hào)～5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化曲線較集中，說明各施工階段下，既有車站底板的橫向不均勻變形較小。

圖7 開挖至2 m時(shí)既有車站豎向位移云圖

圖8 開挖至20 m時(shí)既有車站豎向位移云圖

圖9 開挖至40 m時(shí)既有車站豎向位移云圖

圖10 開挖至60 m時(shí)既有車站豎向位移云圖

由圖5可以看出，隨著新建地鐵隧道開挖距離的增加，沿既有地鐵車站縱向各觀測(cè)點(diǎn)的豎向變形逐漸增大。在相同的施工階段下，沿既有車站縱向各觀測(cè)點(diǎn)的豎向變形呈減小態(tài)勢(shì)，且變化范圍較大，最大差值出現(xiàn)在開挖40 m工況下，為1.054 cm。說明在新建地鐵隧道各施工階段下，既有車站縱向的豎向不均勻變形較大，在施工時(shí)需要重點(diǎn)監(jiān)控。

由圖7～圖10可以看出，新建隧道各施工階段下，既有車站的豎向變形集中在車站端部，車站的整體豎向變形沿縱向變化較大。

2)水平變形分析。

由圖4可以看出，隨新建地鐵隧道開挖距離的增加，既有地鐵車站橫向左側(cè)墻各點(diǎn)的水平變形逐漸增大，大致為線性增長(zhǎng)。同時(shí)，1號(hào)，6號(hào)和7號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的水平位移變化曲線較為集中，說明在各施工階段下，沿既有車站側(cè)墻高度方向上的水平位移差異不大，即不均勻變形較小。

由圖6可以看出，隨著新建地鐵隧道開挖距離的增加，沿既有車站縱向各觀測(cè)點(diǎn)的水平變形逐漸增大。在相同施工階段下，沿既有車站縱向各觀測(cè)點(diǎn)的水平變形呈減小態(tài)勢(shì)，但其變化范圍較小，最大差值出現(xiàn)在開挖40 m工況下，為0.079 cm。說明在新建地鐵隧道各施工階段下，既有車站縱向的水平變形較為均勻。

3 結(jié)語

通過對(duì)新建地鐵區(qū)間隧道鄰近下穿既有地鐵車站的施工階段數(shù)值模擬分析，可得到如下結(jié)論:

1)地鐵隧道鄰近下穿施工對(duì)既有車站的變形影響是動(dòng)態(tài)的，在實(shí)際工程中需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以確保其變形在安全限值以內(nèi)。

2)既有車站在地鐵隧道鄰近下穿時(shí)主要產(chǎn)生豎向變形，沿既有車站橫向的豎向變形變化不大，但沿車站縱向的豎向變形有較大變化，即需沿隧道縱向布置監(jiān)控點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其豎向變形。同時(shí)，地鐵隧道臨近下穿引起的既有車站的水平變形值較小，不需要重點(diǎn)分析。

3)既有車站沿新建地鐵隧道掘進(jìn)方向的端部部位產(chǎn)生了較大的豎向位移值，是地鐵隧道施工引起既有地鐵隧道變形分析的重點(diǎn)部位。

［1］陳星欣，白 冰.隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19(1):103-107.

［2］賈永剛，王明年，任世林.地鐵區(qū)間下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全力學(xué)分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2007，29(6):89-94.

［3］李東海，劉 軍，蕭 巖.盾構(gòu)隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測(cè)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(S1):3186-3191.

［4］沈小輝，魏云杰，陶連金.隧道密貼下穿地鐵車站結(jié)構(gòu)變形數(shù)值分析［J］.鐵道建筑，2012(5):85-87.