新建地鐵線路下穿既有車站的仿真模擬分析

李清菲

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津　300133)

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新建地鐵線路下穿既有車站的仿真模擬分析

李清菲

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津300133)

摘要：以青島某即將修建的線路下穿既有車站為例，利用有限元軟件對地鐵結構進行數值模擬分析，研究在硬巖地區，新建線路采用型鋼格柵密貼下穿及采用CRD法近距離下穿2種方案引起的既有站底板位移變化的規律。主要結論如下： 1)為了避免應力集中，下穿線路應盡量避免布置在既有線中柱下方。2)隨著2條線路軌面標高距離的增加，開挖引起的既有線底板沉降及最大、最小主應力逐漸減小，當2條線路之間的凈距達到3 m左右時，引起的底板沉降僅0.9 m左右，為密貼下穿的14.5%；最大、最小主應力為密貼下穿的75%左右。3)施工時應加強監控量測，必要時進行換撐施工線路二次襯砌。

關鍵詞：地鐵車站； 密貼下穿； 近距離下穿； 數值模擬； 地鐵區間隧道

0引言

近年來，隨著城市軌道交通的發展，城市地下空間利用率在逐步增加，新建線路需下穿既有線路的情況越來越多[1-3]。下穿施工，不可避免會引起上部既有結構產生沉降及應力增加，嚴重時，甚至會帶來結構安全隱患，影響既有線路運營安全[4-7]。一般新建線路下穿既有車站的設計思路為保證結構間有一定安全距離，以減小隧道開挖時既有車站底板的沉降變形，但隨著安全距離的增大，帶來的不利情況也顯而易見。如換乘高度的增大及新建線路出入口提升高度的增加等。因此，新建車站下穿既有車站時，必須采取合理方案，在確保既有車站安全運營的情況下，最大限度地滿足車站在功能使用上的要求。

在施工前，對下穿工程進行模擬分析和預測，可以有效地分析既有結構變形趨勢和施工引起的位移與應力的變化，有利于確保既有結構的安全。隨著下穿工程的增多，下穿施工的模擬分析已經成為一個重要的課題。如采用“零距離”密貼式下穿[8-12]，或者“CRD”法近距離施工下穿[13-15]等。但以往的研究，一般只針對一種下穿模式進行分析，對于密貼下穿與近距離下穿2種工法的對比研究較少。本文主要通過數值模擬分析的方法，將2種下穿模式對既有線路沉降的影響進行分析比較。

1工程概況

本文以青島地區某即將修建的下穿線路為例，既有車站為明挖法施工的雙層三跨矩形斷面，斷面寬20.8 m，高14.7 m，車站長196 m，有效站臺寬度為12 m，長度為120 m。車站頂、底板厚度為900 mm，車站底板位于中風化花崗巖內。

新建車站考慮2種下穿方案。方案1： 新建車站采用雙矩形隧道密貼下穿既有車站，采用分離島式站臺及十字換乘方案，結構初期支護厚度為0.35 m，二次襯砌厚度為0.7 m，單洞寬度為12.65 m，高9.4 m，兩洞間凈距為22.35 m(如圖1所示)。方案2： 新建車站采用雙馬蹄形隧道近距離下穿既有車站，采用T型換乘方案，結構初期支護厚度為0.3 m，二次襯砌厚度為0.5 m，單洞寬度為7.1 m，高7.25 m，兩洞間凈距為9.9 m，距離既有車站底板距離2.9 m(如圖2所示)。

圖1　雙矩形隧道密貼下穿既有車站(單位： m)

Fig. 1Case 1: double rectangular tunnels passing closely underneath existing Metro station(m)

2數值計算建模

在既有車站下方新建隧道，會對既有車站帶來不同程度的影響，在開挖過程中會造成周邊地層和既有車站產生變形及應力集中，嚴重者會造成既有車站不均勻沉降、開裂影響既有線路的安全運營。因而，需對新建隧道下穿既有車站的影響進行分析。

本文運用MIDAS GTS軟件對下穿既有車站所產生的影響進行分析。共建立2種不同工況下的模型，其中包括： 1)雙矩形隧道密貼下穿既有車站。2)雙馬蹄形隧道近距離下穿既有車站。

圖2　雙馬蹄形隧道近距離下穿既有車站(單位： m)

Fig. 2Case 2: double horseshoe-shaped tunnels passing underneath adjoining existing Metro station(m)

結構模型采用彈性理論設計，土體采用摩爾-庫侖準則。模型上邊界為自由邊界的地表，左右邊界采用水平約束，底邊界采用水平加豎向約束。模型尺寸為233 m×51 m×35 m(分別為x、y、z方向)，既有車站軸線沿Y軸方向，新建車站軸線沿Z軸方向，計算模型如圖3和圖4所示，地層參數及結構參數如表1和表2所示。

圖3　密貼下穿既有車站數值計算模型圖

圖4　近距離下穿既有車站數值計算模型圖

巖土分層巖土名稱厚度/m重度/(kN/m3)等效內摩擦角/(°)土的靜止側壓力系數泊松比彈性模量/GPa①雜填土5.317.5150.005⑨中粗砂1.319.5350.390.300.006上強風化花崗巖上亞帶3.522.5450.390.280.5中強風化花崗巖中亞帶6.523.0450.390.280.5下強風化花崗巖下亞帶2.723.5450.390.280.5中風化花崗巖31.724.5550.330.255.0

表2　結構參數表

3工況模擬

方案1施工工序描述如圖5所示。

圖5　密貼法下穿既有車站施工工序圖

方案2施工工序描述如圖6所示。

圖6　近距離下穿既有車站施工工序圖

本文采用圖5和圖6的施工步序進行下穿線路的分步施工模擬。錨桿及型鋼支撐采用梁單元模擬、初期支護采用殼單元模擬、二次襯砌及地層結構采用實體單元模擬。通過鈍化各個導洞的方式模擬開挖。

待施工完下穿段隧道二次襯砌結構，結構強度達到設計要求后，再施工臺臺換乘通道，換乘通道采用CD法施工。

4結果分析

密貼法和近距離下穿施工豎向位移云圖如圖7和圖8所示。下穿隧道施工后既有線底板豎向位移曲線如圖9所示。

圖7　密貼法施工后豎向位移云圖(單位： mm)

2種工法在下穿隧道施工完成后，所引起的既有車站底板的最大位移均出現在隧道拱頂中部附近，密貼法引起的最大沉降值約6.18 mm，近距離下穿引起的最大沉降值約0.9 mm，為密貼法沉降的14.5%。

臺臺換乘通道施工后密貼法施工豎向位移云圖見圖10，臺臺換乘通道施工后近距離下穿施工豎向位移云圖見圖11，臺臺換乘通道施工后既有線底板豎向位移曲線見圖12。

圖8　近距離下穿施工豎向位移云圖(單位： mm)

圖9　下穿隧道施工后既有線底板豎向位移曲線

Fig. 9Curves of vertical displacement of floor of existing Metro station after running tunnel construction

圖10　臺臺換乘通道施工后密貼法施工豎向位移云圖(單位： mm)

Fig. 10Contour of vertical displacement after transfer tunnel construction in Case 1 (mm)

圖11臺臺換乘通道施工后近距離下穿施工豎向位移云圖(單位： mm)

Fig. 11Contour of vertical displacement after transfer tunnel construction in Case 2 (mm)

圖12　臺臺換乘通道施工后既有線底板豎向位移曲線

Fig. 12Curves of vertical displacement of floor of existing Metro station after transfer tunnel construction

在臺臺換乘通道施工完成后，密貼法所引起的既有車站底板的最大位移還是在隧道拱頂中部附近，最大沉降值約6.18 mm，但近距離下穿引起的既有車站底板位移的最大沉降值出現在換乘通道的中間位置，最大沉降值約1.01 mm，為密貼法沉降的16.3%。

密貼施工各步驟引起的既有線底板豎向位移曲線見圖13，近距離施工各步驟引起的既有線底板豎向位移曲線見圖14。

圖13　密貼施工各步驟引起的既有線底板豎向位移曲線

Fig. 13Curves of vertical displacement of floor of existing Metro station caused by different construction steps in Case 1

圖14　近距離施工各步驟引起的既有線底板豎向位移曲線

Fig. 14Curves of vertical displacement of floor of existing Metro station caused by different construction steps in Case 2

由圖13和圖14可以看出，在拆撐時引起的既有線底板沉降較前一施工步驟增長較大，故在施工時，應加強監控量測，必要時進行換撐施工二次襯砌。

圖15和圖16給出了2種工法開挖后結構的最大、最小主應力云圖。由圖可以看出： 密貼法施工引起的壓應力為3 459 kPa，拉應力為667 kPa；近距離施工引起的壓應力為2 602 kPa，拉應力為539 kPa，為密貼法的75%。由此可見，采用近距離施工時，拉、壓應力均小于密貼法施工引起的應力值。因此，在修建新建線路下穿既有車站時，建議采用近距離下穿施工。

圖15　密貼法施工后結構最大、最小主應力云圖(單位： Pa)

Fig. 15Contour of maximum and minimum principal stresses of structure in Case 1(Pa)

圖16　近距離施工后結構最大、最小主應力云圖(單位： Pa)

Fig. 16Contour of maximum and minimum principal stresses of structure in Case 1 (Pa)

5風險控制措施

下穿工程，在施工過程中，不僅存在本身的施工風險，而且對既有線路也存在風險問題，故在設計時要嚴格進行風險控制。

風險處理的原則是： 降低風險、科學施工、信息設計、應急預案。處理流程及要求如下。

1)對于風險源，應首先進行評估，確定現狀結構的受力和變形承載能力，給出剩余的承載力和變形控制標準；根據地鐵施工方法、地層條件、施工水平，設計時對施工引起的結構變形進行預測。

2)根據預測結果、評估標準，采取相應的施工加固措施，加固措施要滿足技術先進、安全可靠、經濟合理、操作簡單的要求；設計階段要制定每個施工階段的允許變形標準、預警值、報警值。

3)要進行專門的監控量測設計，做到信息化設計，同時要制定工后監測的時間和內容要求；要有一套可操作、又經濟的應急施工預案，確保每一步現狀結構與地鐵施工的安全；要考慮施工后沉降的預防措施。

對于下穿工程可能存在的風險，應做到以下幾點。

1)下穿段主體爆破采用靜態破碎，及時設置初期支護及支撐，盡快封閉成環。

2)施工二次襯砌時采用跳槽法施工，及先拆除3～5 m底部臨時支撐，施作防水層，根據施工監控量測結果，必要時進行換撐施作底板，待二次襯砌封閉成環后，再拆除下段支撐，施工二次襯砌結構。

3)施工中及時對既有結構及周邊建筑物進行監測，必要時加強車站支護措施。

4)既有線路道床為素混凝土澆筑，下穿工程施工時，可能與既有線路底板因變形不協調產生脫離，易引起道床開裂、破碎等病害，故在施工過程中要及時對道床進行監控量測，必要時進行注漿加固。

6結論與建議

本文通過對青島某新建車站密貼下穿既有車站的十字換乘方案與近距離下穿既有車站的T型換乘方案2種方案的比較分析，采用數值模擬方法，研究了在硬巖地區，新建線路采用型鋼格柵密貼下穿及采用CRD法近距離下穿2種方案引起的既有站底板位移變化的規律，得出結論如下。

1)隨著2條線路軌面標高距離的增加，開挖引起的既有線底板沉降逐漸減小，當2條線路之間的凈距達到3 m左右時，引起的底板沉降僅0.9 m左右，為密貼下穿的14.5%。

2)因為中柱下傳既有線頂部荷載，所以既有線底板沉降最大值出現在拱頂附近的中柱底部，在設計下穿線路時應盡量設置在兩跨中柱中間，避免從中柱正下方穿過，避免應力集中。

3)施工時應加強監控量測，必要時進行換撐施工新建線路二次襯砌。

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Numerical Simulation for New Metro Tunnel Passing Underneath

Existing Metro Station

LI Qingfei

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Abstract:A new Metro tunnel is planned to pass underneath an existing Metro station. In the paper, the Metro structures are simulated by means of finite element software. Two cases, i.e., Case 1 “double rectangular tunnels passing closely underneath existing Metro station” and Case 2 “double horseshoe-shaped tunnels passing underneath adjoining existing Metro station”, are studied. Conclusions drawn are as follows: 1) The new tunnel should be located as far away from the central columns of the existing Metro station as possible, so as to avoid stress concentration; 2) As the distance between the elevations of the tracks of the two Metro lines increases, the settlement and the maximum and minimum principal stresses of the floor of the existing Metro station induced by the excavation of the tunnels below reduce gradually. When the clear distance between the two Metro lines is 3 m, the settlement of the floor of the existing Metro station induced by the excavation of the tunnels below is only 0.9 m, which is 14.5% of that in Case 1; and the maximum and minimum principal stresses induced are 75% of those in Case 1; 3) Monitoring shall be strengthened during construction, and if necessary, support replacement shall be made to facilitate secondary lining construction.

Keywords:Metro station; tunneling closely underneath existing Metro station; tunneling underneath adjoining existing Metro station; numerical simulation; Metro tunnel

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1275-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.007

作者簡介：李清菲(1983—), 女, 山東青島人, 2009年畢業于蘭州交通大學，橋梁與隧道工程專業, 碩士, 工程師, 現從事隧道及地下結構工程方面設計工作。

收稿日期：2015-07-01; 修回日期: 2015-10-10