平頂直墻隧道密貼下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

馮英會

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，城市交通環(huán)境越來越復雜，導致新建地鐵工程穿越鄰近建構(gòu)筑物的高風險情況日益增多，甚至會出現(xiàn)“零距離”等惡劣施工條件下的穿越工程［1］。許多學者對新建隧道工程穿越鄰近建構(gòu)筑物的變形規(guī)律及特征進行過研究［2-5］，其中包括對鄰近橋梁樁基［6］、建筑物、鐵路［7］、車站等結(jié)構(gòu)的分析，獲取了許多有益的結(jié)論［8-10］。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以北京地鐵19號線一期工程積水潭站～北太平莊站區(qū)間密貼下穿既有地鐵2號線積水潭站及積水潭站～西直門站區(qū)間為例，采用Midas-Gts有限元分析軟件對各施工階段進行了仿真模擬計算［11］，并和現(xiàn)場實測變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，總結(jié)出密貼下穿施工影響下車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，得出各施工階段對既有結(jié)構(gòu)變形的貢獻量，為分階段控制施工變形量及類似工程施作提供參考。

2 工程概況

2.1 新建工程概況

新建北京地鐵19號線積北區(qū)間下穿既有地鐵2號線積水潭站及積西區(qū)間的周邊環(huán)境復雜，受到鄰近城市立交橋樁位、預留換乘節(jié)點和電力隧道的限制，隧道線路可調(diào)整空間狹小、斷面受限，新建隧道結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)豎向間距僅為0.3 m。經(jīng)過多種下穿方案比選，最終確定新建左、右線下穿段采用4導洞CRD工法施工［12］的平頂直墻斷面隧道密貼下穿既有車站及區(qū)間來解決該部位建筑限界問題。下穿平頂直墻斷面前后3 m范圍為過渡段，其余為標準馬蹄形斷面。

2.2 既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)概況

2號線車站為上下兩層，上層站為環(huán)線站；下層站為遠期站，根據(jù)需要只做了一段長37.7 m立交段。環(huán)線站東西各有一個喇叭口，西北、西南、東南、東北四個出入口和一座通風道。2號線積西區(qū)間埋深約8 m。區(qū)間隧道為平頂直墻斷面，左線斷面尺寸為7 400 mm×8 630 mm，右線斷面尺寸為7 400 mm×8 630 mm和6 800 mm×8 630 mm。

2.3 新建地鐵與既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系

如圖1、圖2所示，新建19號線積北區(qū)間1號豎井、橫通道鄰近既有2號線積水潭站及積西區(qū)間。1號豎井外輪廓尺寸7.3m×5.6m，深24.53m，距離既有2號線積西區(qū)間42.6 m；1號橫通道寬4.6 m，高8.7m，覆土12.83～14.96m，距離既有2號線積西區(qū)間最近處約18.8m，距離2號線積水潭站最近約11m。

圖1 新建19號線積北區(qū)間下穿2號線既有結(jié)構(gòu)縱剖面圖

圖2 新建19號線積北區(qū)間下穿2號線既有結(jié)構(gòu)橫剖面圖

2.4 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

根據(jù)勘察報告，地層從上至下依次為：粉土填土①層、雜填土①1層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、粉細砂③3層、卵石⑤層、中粗砂⑤1層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土⑤3層、粉質(zhì)黏土⑥層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土⑥2層、粉細砂⑥3層、卵石⑦層、中粗砂、卵石⑨層等。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，場地賦存一層地下水，地下水類型為層間水（三），年變幅約為2～3 m，埋深為25.8～28.87 m，主要分布于卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉細砂⑦2層、卵石⑨層。

2.5 控制措施

為控制新建19號線積北區(qū)間密貼下穿既有2號線積水潭站及積西區(qū)間引起的結(jié)構(gòu)變形，確保安全，積北區(qū)間下穿段綜合采取了全斷面深孔注漿加固、單線四導洞開挖CRD工法并及時施作初支，分段、隔段施作二襯結(jié)構(gòu)的風險措施處理方案。

3 數(shù)值模擬模型建立

3.1 基本模型

考慮到施工過程中的空間效應，應在涉及到的有效影響結(jié)構(gòu)變形范圍內(nèi)取計算模型。本次取長225 m、寬124m，自地表向下60m厚的土體作為考察范圍，包括新建19號線積北區(qū)間豎井橫通道、積北區(qū)間，積水潭站G2出入口，換乘通道1，換乘通道2在內(nèi)的鄰近、下穿既有2號線結(jié)構(gòu)，以及對既有2號線結(jié)構(gòu)改造等施工的影響范圍。計算模型中周圍土體采用實體單元（共423 316個單元，76 928個節(jié)點），不同的地層采用不同的材料模擬。具體如圖3、圖4所示。

圖3 新建結(jié)構(gòu)與既有車站、區(qū)間有限元模型

圖4 新建結(jié)構(gòu)與既有車站、區(qū)間位置關(guān)系

3.2 模型邊界條件

邊界條件設(shè)置頂面為自由邊界，其他面均為法向約束。

3.3 基本假定

（1）既有地鐵2號線積水潭站和積西區(qū)間結(jié)構(gòu)為線彈性材料。

（2）新建車站、區(qū)間與既有地鐵2號線積水潭站、積西區(qū)間結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

3.4 物理力學參數(shù)

根據(jù)地勘資料和相關(guān)規(guī)范，計算選取參數(shù)見表1及表2。

表1 各土層物理力學參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

3.5 模擬工序

按現(xiàn)場施工階段確定模擬工序見表3。

表3 施工模擬工序

續(xù)表3

4 施工過程既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形分析

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于實際尚未進行左線小導洞拆撐，本節(jié)內(nèi)容主要是針對工況1～工況6的模擬結(jié)果分析平頂直墻密貼下穿既有地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

如圖5所示，選擇圖示路徑（從左至右里程為B104+70～B102+40，并且分布有8條變形縫，依次命名為變形縫1～變形縫8）繪制既有主體結(jié)構(gòu)的沉降曲線（見圖6、圖7），分析施工各階段引起的既有結(jié)構(gòu)變形特征。

圖5 既有結(jié)構(gòu)變形考察路徑示意

圖6 模擬各階段單獨引起的既有結(jié)構(gòu)沉降曲線

圖7 模擬各階段引起的既有結(jié)構(gòu)累積沉降曲線

通過模擬計算分析可知：橫通道施工完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降量為0.04 mm，發(fā)生在B103+87位置處。

當開挖區(qū)間右線左半幅土體并施作初支階段，如圖6所示，工序2單獨引起的最大沉降量為0.95 mm，發(fā)生在B103+69位置，在同一位置累積最大沉降量為0.99 mm，此時單工序引起的沉降量和累積沉降量最大位置相同，主要由于前一工序施作橫通道階段橫通道距離既有主體結(jié)構(gòu)相對較遠，土體開挖卸荷效應不強。

工況3開挖右線右半幅土體并施作初支完成后，既有結(jié)構(gòu)累積最大沉降為1.9 mm，該階段單獨引起的既有結(jié)構(gòu)最大沉降為0.90 mm，位于B103+69區(qū)間隧道南側(cè)。施作隧道右線右半幅階段的沉降比左半幅沉降量小0.05 mm，主要是由于當施作右半幅時左半幅初支已經(jīng)形成一定強度，有利于減小由于土體損失引起的圍巖變形。在工況2和工況3下，單個階段引起的既有車站結(jié)構(gòu)最大沉降量均位于隧道開挖面上方，且由于臨近開挖面上方存在沉降縫，導致在沉降縫兩側(cè)出現(xiàn)明顯差異沉降，呈現(xiàn)明顯的剛體位移特征。工況2沉降縫累積最大差異沉降為0.67mm，發(fā)生在沉降縫4處，且西側(cè)沉降明顯大于東側(cè)。工況3沉降縫累積最大差異沉降為1.08mm，最大沉降位置仍為沉降縫4處，且工況3單獨引起的既有結(jié)構(gòu)沉降縫處差異沉降比工況2小0.26 mm。工況4既有結(jié)構(gòu)累積最大沉降量為2.05 mm，位于B103+69區(qū)間隧道南側(cè)，該階段單獨引起的既有結(jié)構(gòu)沉降量為0.16 mm。

在工況2～工況4階段，積北區(qū)間右線開挖左半幅土體、開挖右半幅土體及右線初支階段的沉降量占整個右線施工引起的既有結(jié)構(gòu)總沉降量的47%、45%、8%，可知右線施作主要沉降量發(fā)生在開挖土體卸荷階段，當土體損失導致應力重分布并在初支作用下達到新的平衡后，施作右線二襯進一步對圍巖產(chǎn)生擾動，且二襯結(jié)構(gòu)自重促進了圍巖進一步變形。

由于現(xiàn)場施工進度原因，本次模擬計算僅考慮至積北區(qū)間左線土體全部開挖完成階段。工況5左線右半幅土體開挖并施作初支完成后，既有結(jié)構(gòu)累積最大沉降為2.36 mm，位于B103+69區(qū)間隧道南側(cè)，左線右半幅施作單獨引起的車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降量為0.97 mm，位于B103+88區(qū)間隧道南側(cè)。既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)最大沉降量位置偏離左線右半幅單獨引起最大沉降位置主要是積北區(qū)間右線先行引起的沉降量較大，疊加左線右半幅影響后仍舊是右線主要影響區(qū)沉降較大。當左線右半幅施作完成后，沉降槽寬度由原來的B103+37～B104+15擴大至B103+37～B104+33，既有結(jié)構(gòu)受積北區(qū)間隧道施工影響顯著增大。

工況6左線左半幅土體開挖并施作初支完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降為2.59 mm，位于B103+89區(qū)間隧道南側(cè)，此時既有隧道結(jié)構(gòu)受先行右線和后行左線的雙線影響，最大沉降量比右線單獨施作完成時增幅26.3%，工況6單獨引起的既有結(jié)構(gòu)最大沉降量為0.90 mm，位于B103+88區(qū)間隧道南側(cè)。綜合分析，左線右半幅、左半幅開挖引起的主體結(jié)構(gòu)變形占左線合計引起的沉降比率為51.3%、48.7%。

綜合得出，單工況引起既有結(jié)構(gòu)最大沉降發(fā)生在右線隧道施工階段，左線隧道施工階段引起的結(jié)構(gòu)變形影響小于右線隧道，但是增大了沉降槽寬度，引起既有結(jié)構(gòu)更大范圍的沉降，且受左右線施作的影響，既有結(jié)構(gòu)最大沉降位置位于左右線軸線間。由于先行右線開挖影響大，且沉降縫4距離右線軸線、左線軸線的距離均較近，左線平頂直墻隧道密貼下穿引起的既有結(jié)構(gòu)沉降縫最大差異沉降1.25 mm，位于沉降縫4處，且由于左線土體開挖引起結(jié)構(gòu)沉降范圍擴大，靠近左線軸線的沉降縫3處差異沉降略小于沉降縫4處差異沉降，既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)在新建工程施工影響階段，需重點關(guān)注變形縫部位的不均勻沉降［13］，以減少對既有線正常運營的影響。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

在隧道施工期間必然會引起既有車站結(jié)構(gòu)變形，需要對車站結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)測。現(xiàn)場針對既有結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的布點如圖8所示。

圖8 既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測布點

選取既有結(jié)構(gòu)沉降點SJC202～SJC206為分析對象，沉降時程曲線如圖9所示。

圖9 既有結(jié)構(gòu)測點SJC202～SJC206沉降時程曲線

從圖9分析，既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降量隨著積北區(qū)間密貼下穿的進行逐漸增大，右線左半幅下穿階段，既有結(jié)構(gòu)最大沉降為0.64 mm；當右線右半幅穿越完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降為0.91 mm；當左線右半幅穿越完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降為1.09 mm；左線左半幅下穿既有車站結(jié)構(gòu)階段，結(jié)構(gòu)最大沉降為1.22 mm。在密貼下穿施工過程中，既有結(jié)構(gòu)沉降整體表現(xiàn)出“施作右線時，距離右線較近處沉降大，施作左線時，最大沉降的位置略偏離右線而位于距離左線較近處”的規(guī)律。其中在施作右線階段，由于現(xiàn)場全斷面深孔注漿影響，導致位于開挖面上方的車站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的隆起，最大隆起量為0.5 mm，當開挖左線土體時，既有結(jié)構(gòu)整體均表現(xiàn)為沉降，且距離隧道軸線越近沉降量越大，隨著支護結(jié)構(gòu)強度的形成，沉降趨勢趨于穩(wěn)定，最終沉降量并未超過結(jié)構(gòu)變形允許值（3 mm）。

4.3 實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

如圖10所示，選取左、右線完成時的既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降測點繪制相應測點曲線圖。

圖10 既有結(jié)構(gòu)測點SJC201～SJC207實測、模擬沉降對比

從圖10分析：隨著積北區(qū)間隧道的施作，既有結(jié)構(gòu)沉降逐漸增大，且距離隧道開挖軸線較近的SJC203、SJC204沉降明顯大于西側(cè)、東側(cè)的其他測點，呈現(xiàn)出典型的隧道施工沉降槽曲線特點。

對比模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)可知：模擬各工況下的沉降槽特征和實測曲線趨勢接近，其中主要在隧道右線暗挖施工階段實測數(shù)據(jù)比模擬數(shù)據(jù)小，主要是該階段全斷面深孔注漿加固地層引起，同時，初支背后回填注漿也會引起既有地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)一定程度隆起；當左線開挖完成后，模擬數(shù)據(jù)趨勢和實測基本一致，較好地反映了隧道密貼下穿既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降特征。

分析各工況下當前施工階段引起的既有結(jié)構(gòu)最大沉降量占左線完成時總沉降量的比值可知，實測右線左半幅、右線右半幅、左線右半幅、左線左半幅單獨開挖引起主體結(jié)構(gòu)最大沉降量占比分別為52.5%、22.1%、14.8%、10.6%，模擬結(jié)果的占比為41.7%、36.9%、13.2%、8.2%。

5 結(jié)論

經(jīng)數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)對比分析了平頂直墻隧道暗挖密貼下穿既有地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降特征，主要結(jié)論如下：

（1）平頂直墻隧道暗挖密貼下穿既有地鐵車站方案可行，采用全斷面注漿及CRD工法能較好地控制既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形。

（2）隧道密貼下穿采用CRD工法施工引起的既有結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律為：當注漿壓力較大時，既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生局部隆起，但是整體仍呈現(xiàn)出“單線分導洞開挖時先開挖土體對車站結(jié)構(gòu)沉降影響大于后開挖部分，距離開挖隧道軸線越近的位置沉降越大，雙線隧道先行線比后行線對結(jié)構(gòu)最大沉降量影響大”的規(guī)律。

（3）通過實測分析，右線左半幅、右線右半幅、左線右半幅、左線左半幅單獨開挖引起既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)最大沉降量占比分別為52.5%、22.1%、14.8%、10.6%，與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢基本一致，工程數(shù)值模擬計算分析結(jié)果可為后續(xù)相似工程分析提供參考。

（4）距離隧道軸線較近位置兩側(cè)沉降縫差異沉降大于隧道軸線較遠位置。既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)置沉降縫能夠有效降低不均勻沉降對結(jié)構(gòu)受力的影響，但在施工過程中需密切關(guān)注變形縫差異變形情況，采取必要處理措施，以減少對既有線運營的影響。