區間隧道長距離密貼下穿既有車站變形特征分析

高太平 申健昊 閆建龍 李 剛 李昊炎 沈宇鵬

(1.中鐵四局集團第三建設有限公司 天津 300011；2.北京交通大學 北京 100044)

1 引言

隨著各大城市地鐵線網越來越密集，新舊線路交叉穿越現象已越來越常見[1]。新建區間隧道、車站施工過程中，必然會對既有結構周圍土體產生擾動，引起圍巖應力重分布[2]。其中，長距離密貼下穿工程新建隧道-地層-既有結構之間動態相互關系較為復雜[3]，施工難度大、復雜程度高，有必要對此類工程實例進行深入研究。

目前，對于區間隧道下穿既有結構工程的研究已取得極大進展。馮英會、杜文等[4-5]依托密貼下穿工程，將數值模擬和現場監測相結合，對下穿工程中既有結構的變形規律進行分析。祁文睿、李士中[6-7]以實際下穿工程為背景，通過仿真計算研究注漿技術的加固效果。鄧啟華、王建功等[8-9]結合實際下穿工程，對施工過程中采用的管棚注漿、扣軌加固等技術的效果進行分析。

然而，上述研究以盾構隧道穿越既有結構居多，對于淺埋暗挖隧道長距離大面積穿越既有結構工程的研究相對較少。本文以北京地鐵19號線區間隧道密貼下穿既有4號線新宮站工程為背景，采用Midas/GTS有限元軟件對下穿施工全過程進行數值模擬，利用第三方監測數據對模擬結果進行驗證，從而分析既有結構的沉降變形特征。

2 工程概況

北京地鐵19號線四線區間隧道下穿既有4號線新宮站項目，正線隧道在中間，兩條出入線隧道分布兩側。區間隧道從既有站西側盾構井始發，自西向東下穿既有車站后到達新建19號線新宮站。下穿工程平面示意圖如圖1所示。

圖1 下穿工程平面示意

區間隧道共有三種斷面形式，下穿段西側C型為兩小凈距并行拱頂直墻隧道，寬6.5 m，高9.06 m；為達到“零距離”下穿的目的，下穿段B型為大斷面平頂直墻隧道，寬13.5 m，高8.46 m；下穿段東側A型為大斷面拱頂直墻隧道，寬13.8 m，高10.85 m。出入線為左、右兩馬蹄形隧道，寬7.07 m，高7.08 m，下穿工程剖面圖如圖2所示。

既有4號線新宮站為地下雙層明挖六跨五柱框架結構，車站總長度360.15 m(僅取下穿影響范圍內既有車站進行研究)，寬度為40.9 m，底板埋深約16.58 m，頂板平均覆土厚度約3.2 m。既有站東、西兩側分別設1號、2號緊急疏散口，斷面尺寸均為4.3 m×5 m。新宮站東、西兩側布設直徑1 m間距1.6 m的圍護樁，樁長23 m；兩緊急疏散口周圍布設直徑0.8 m間距1.6 m的圍護樁，樁長13 m。隧道施工過程中對開挖范圍內的既有站圍護樁進行破除，破除范圍為6 m。

圖2 下穿工程剖面圖

本工程下穿長度長達47 m，下穿段新建隧道拱頂與既有站底板凈距僅為0.22 m，為典型的長距離大面積密貼下穿工程。新建隧道洞身圍巖主要為卵石圓礫地層，然而，卵石圓礫地層具有膠結性弱、靈敏度高、受擾動后自穩性差等特點，施工過程中極易引起既有結構產生較大沉降變形[10]。為控制既有結構沉降，隧道開挖過程中使用全斷面后退式深孔注漿技術對地層進行預加固。

3 評價指標

在查閱地鐵運營機構出臺的規范及相關學術文獻[11]的基礎上，對下穿施工中既有結構變形限值整體匯總如表1所示。

表1 地鐵結構及軌道變形控制指標

根據表1規定，在不超出限值的前提下，選取既有車站結構累計沉降作為評判既有結構安全性的標準。

4 下穿過程既有車站的模型建立

4.1 模型建立

模型寬度為區間A、B、C型隧道的總長100 m；新建隧道外邊緣至模型邊界距離為開挖洞徑的3～5倍；模型上表面取至地表，新建隧道下邊緣至模型底部距離為開挖洞徑的2倍，最終確定模型總尺寸為120 m×100 m×40 m。數值模型如圖3所示。

圖3 數值模型

根據現場地勘資料可將場地土層分為8層，均采用摩爾-庫倫本構。既有車站頂板、中樓板、底板，新建隧道初支、二襯、臨時仰拱等結構均通過“析取”命令采用二維板單元模擬。既有站柱、既有站及緊急疏散口圍護樁采用一維線單元模擬，且對圍護樁施加底部約束限制其RZ方向的旋轉，所有支護結構及既有結構均采用線彈性本構。

通過“改變屬性”命令賦予地層注漿加固后土體屬性實現注漿加固的模擬。加固后土體相關參數通過對文獻[12-13]的研究確定。模型頂部為自由面，對底部及側面施加位移約束限制其位移。地層及材料力學參數如表2所示。

表2 地層及材料力學參數

4.2 模擬工序

下穿段隧道截面可進行如圖4所示的劃分。

圖4 B型隧道截面劃分

根據實際施工階段確定模擬工序如表3所示。

表3 施工模擬工序

4.3 模型驗證

施工過程中，第三方對既有站道床沉降進行實時監測，監測點位布置如圖5所示。為便于模型驗證及后續沉降分析，在模型上選取典型測點及截面。其中，截面B為既有站長度方向中位線，截面A為B型隧道中線在既有站底板對應位置，O點為上述兩截面在既有站底板上的交點，典型截面位置如圖6所示。

圖5 既有站道床監測點位

圖6 既有站底板典型截面

通過對測點DJC308及截面C各測點模擬值與實測值對比驗證模型的可靠性，對比圖如圖7所示。

圖7 沉降值模擬值與實測值對比

分析圖7可得，模擬值與實測值并不完全一致，除個別點數值差距較大外，其余點誤差較小，在可接受范圍之內，且兩者具有相同的變化趨勢。考慮到實際施工較為復雜，影響變形的因素較多，可認為用Midas/GTS進行數值模擬是可靠的。

4.4 結果分析

4.4.1 既有車站結構沉降變形

各施工階段沉降占累計沉降量條形圖如圖8所示，施工全過程中既有站底板O點沉降變化曲線如圖9所示。

由圖易得，既有站東、西兩側A型、C型隧道土體開挖及初期支護對既有站的影響較小，既有站底板在此兩階段的沉降變化曲線近似為一條直線。

圖8 各階段沉降占比條形圖

圖9 施工全過程O點沉降變化曲線

既有站沉降變形集中發生在下穿段B型及兩側出入線隧道施工過程中，且土體開挖及初期支護造成既有站底板沉降回升甚至略微隆起，分析原因是開挖過程中施作的初期支護與圍巖形成了剛度較大的地下體系所致，同時，開挖過程中對地層進行全斷面深孔注漿也會導致既有站底板出現一定程度隆升。而在下穿段隧道二襯結構施作過程中，臨時仰拱、臨時中隔壁等支護結構的拆除使得之前形成的支承體系剛度迅速下降，從而導致既有結構沉降變形逐漸增大。

為進一步對下穿段B型及兩側出入線隧道施工過程中既有站結構的沉降變形特征進行分析，繪制既有站底板沉降槽曲線如圖10所示。

圖10 施工過程中既有站底板沉降槽

分析圖10可知:區間及兩側出入線隧道下穿既有站過程中，區間左、右線、中線、出入線二襯施工引起的既有站沉降變形最大，5、6導洞開挖引起的既有站沉降變形次之，1、2、3、4導洞開挖引起的既有站沉降變形最小。其中，導洞土體開挖后A、B截面沉降槽變形趨勢一致，而左右線、中線二襯施作完成后A、B截面沉降槽具有大致相同的變形趨勢。下穿過程中既有站結構最大沉降并未超過3 mm的限值，可認為采用此種施工方案可以確保既有結構在下穿施工過程中的安全。

4.4.2 緊急疏散口沉降變形

施工全過程中既有站東、西兩側緊急疏散口最大沉降變化曲線如圖11所示。

圖11 施工全過程緊急疏散口沉降變化圖

由圖11可得:由于緊急疏散口位于既有站東西兩側位置，下穿段B型及兩側出入線隧道施工對其影響不大，兩疏散口在下穿施工過程中沉降變化曲線近似為一條直線。然而，西側2號緊急疏散口沉降變形集中發生在既有站西側隧道開挖過程中，東側1號緊急疏散口沉降變形集中發生在既有站東側隧道開挖過程中。實際施工過程中，對既有站東、西兩側隧道開挖時需采取相關措施控制疏散口沉降。從圖中可以看出，兩疏散口最大沉降變形均未超過3 mm的限值，再一次驗證了實際施工方案可以確保既有結構的安全。

5 結束語

(1)采用平頂直墻隧道密貼下穿既有車站方案可行。施工過程中采用全斷面注漿技術加固地層可以有效控制既有結構的沉降變形。

(2)既有站沉降變形集中發生在下穿段隧道施工過程中，下穿段隧道二襯施作引起的既有站沉降最大，施工過程中既有站沉降變形并未超過3 mm的限值。

(3)既有站西側疏散口沉降變形集中發生在西側隧道施工過程中，東側疏散口沉降變形集中發生在東側隧道施工過程中，兩者沉降變形均未超過3 mm的限值。