大直徑盾構近距離穿越既有地鐵車站影響因素分析

繆敬慧 吳征然 繆敬智

1.北京地鐵建筑設施維護有限公司 北京 100036；2.北京市人防工程監督站 北京 100036

本文依托工程某高鐵段隧道盾構區間穿越既有M15車站所運用的盾構機是我國第一臺國產大直徑泥水盾構機，且其需穿越既有地鐵車站的工程在北京市也尚屬首次。因此，對其穿越地鐵車站引起既有結構的沉降變形進行研究具有重要的意義。

1 盾構施工引起地面沉降的原因與機理

新建盾構隧道穿越既有地鐵車站的施工作業，盾構隧道與原結構之間不可避免的會出現相互影響。既有地鐵車站存在對新建盾構隧道下穿施工的影響主要包括以下幾個方面[1]：

（2）既有地鐵車站結構材料為高強度鋼筋混凝土，其剛度遠大于周圍土體，將會對其周圍一定范圍內地層的應力場和位移場造成影響；

（3）在新建盾構隧道下穿施工過程中，既有地鐵車站的存在一方面使地層的應力場和位移場不同于天然自由場地層，另一方面，地鐵列車動荷載以及相應的震動效應均會對新建盾構隧道的施工開挖產生不利的影響。

為此，盾構下穿既有地鐵隧道應滿足以下要求：

（1）盡可能控制盾構下穿施工對周圍地層的擾動，避免因地層變形引起既有地鐵車站結構附加應力及變形過大，保證地鐵車站結構安全；

（2）保證既有地鐵車站結構整體沉降在控制標準范圍內，并減少結構差異沉降，保證既有地鐵車站的正常運營；

（3）下穿盾構機能夠正常掘進，保證新建盾構隧道的安全施工。

2 工程概況

某隧道采用泥水平衡盾構，線路線間距為23m，隧道南北向近似正交穿越M15號線，兩者平面交角約為88度，下穿段落隧道覆土厚度約為26.5m[1]。新建隧道結構頂與地鐵車站結構的豎向最小距離約為9.86m；與地鐵車站基坑圍護樁設計樁底的豎向最小距離約為6.3m，與地鐵車站基坑降水井設計井底的豎向距離最小約為0.96m。

高鐵隧道管片外徑10.5m，內徑9.5m，管片環寬2m。隧道洞身所處地層主要為粘土、粉質粘土、粉土、砂性土。

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3 數值模擬分析

3.1 有限元模型的建立

兩隧道直徑為10m，總長150m，軸線間距23m，埋深為20m，地鐵車站在其上方10m處。模型整體尺寸為180m×150m×50m。采用10節點六面體單元離散土體，板單元模擬地鐵車站、1號車站出口、2號風亭主體結構，同時盾構機外殼采用板單元模擬并考慮盾構機開挖時的地層損失率[2]。土層分布根據當地的勘測資料確定，土體采用M-C本構模型，并作如下假定：

（1）土體和隧道襯砌為均質、各向同性材料；

（2）土體為彈塑性材料，滿足M-C彈塑性本構模型；

（3）隧道襯砌為剛度均一的圓環。

土體參數根據當地土質監測報告，取值如表1。

表2 車站結構及隧道襯砌參數Tab.2Stationstructureandtunnelliningparameters

有限元模型中的泥水壓力及注漿壓力設置為沿隧道內徑環向施加，圖2為模擬方式。為隧道的施工方式，先對左線隧道進行開挖，分10步進行；當左線隧道開挖完成后進行右線隧道的開挖，同樣分10步進行。每步進尺為15m，約為實際施工一天的進尺[3]。

表1 土層參數及分布Tab.1Soilparametersanddistribution

本部分研究了隧道不同施工階段的內力和位移狀態，主要分為三個研究階段：（1）隧道開挖30m處；（2）隧道開挖至車站正下方即模型中隧道開挖75m；（3）隧道全部施工完成。為了簡化模型提高計算效率，接下來的模擬均未考慮地層加固[4]。

3.2 不同泥水壓力對隧道位移的影響

圖3為不同泥水壓力下隧道的位移云圖。從圖中可以看出泥水壓力的改變對隧道的總位移影響較大。當泥水壓力從100kPa變為200kPa時，隧道的位移最大值從13.8mm變為11.25mm。當泥水壓力增長為300kPa時，隧道的位移最大值為10.83mm。三個級別的泥水壓力對應的水平位移分別是6.71mm、4.67mm、2.79mm。可見，泥水壓力對隧道位移的有顯著的影響。

拱頂位移的變化趨勢大致相似，但數值受泥水壓力影響較大。在100kPa泥水壓力下，拱頂最初隆起僅0.56mm，且最終沉降為5mm；當泥水壓力為300kPa時，拱頂最初隆起為1.44mm，最終沉降為4.2mm。由此可見，增大泥水壓力可以有效地減小拱頂沉降。

地表在平行于開挖掌子面方向上沿左線隧道中心線、右線隧道中心線的沉降分布。當泥水壓力為100kPa時，兩線隧道中心線處地表沉降約為-1.1mm；當泥水壓力為200kPa時，兩線隧道的最大地表沉降減小到約-0.7mm；當泥水壓力為300kPa時，兩線隧道的最大地表沉降減小到約-0.2mm。可見，增大泥水壓力可以有效的減小地表沉降。

3.3 地層損失率對開挖面及既有車站變形的影響分析

本節主要分析不同地層損失率下隧道襯砌的內力變化及對上方車站的相應影響。研究中地層損失率選取0.1、0.3、0.5三個級別。

圖4為不同地層損失率下隧道的位移云圖。從圖中可以看出，地層損失率的改變對隧道的位移影響與內力相似。當地層損失率從0.1變為0.3時，隧道的位移最大值從11.25mm變為21.92mm。當地層損失率增長為0.5時，隧道的位移最大值為33.92mm。三個級別的地層損失率對應的水平位移分別是4.67mm、6.6mm、13.59mm。可見，地層損失率對隧道位移的影響十分顯著。

車站下方的隧道拱頂處隨著隧道開挖的進程而產生的位移變化。拱頂位移的變化趨勢大致相似，但數值受地層損失率影響較大。三種不同底層損失率下，拱頂最初隆起相差不大，但地層損失率為0.1時，最終沉降為4.6mm，而地層損失率為0.3或者0.5時，拱頂沉降分別為12.1mm和18.5mm。同時，地層損失率越大，施工過程中拱頂位移的波動也越大。

圖5為地表在平行于開挖掌子面方向上沿左線隧道中心線、右線隧道中心線的沉降分布。從圖中可以看出，當地層損失率為0.1時，兩線隧道中心線處地表沉降約為0.7mm；當地層損失率增大至0.3時，兩線隧道的最大地表沉降增大到約-3.9mm；當地層損失率增大至0.5時，兩線隧道的最大地表沉降增大到約-7mm。可見，地層損失率對地表沉降有十分顯著的影響[2]。

4 結語和建議

本文結合隧道盾構施工的工程背景，采用有限元軟件Plaxis3D對盾構近距離穿越既有地鐵車站施工進行了數值模擬。主要完成了以下工作：

（1）以隧道內力、隧道位移、及地表和車站位移為主要指標，分析了泥水壓力的改變對開挖面及既有車站的影響規律。結果表明車站的位移與盾構隧道近接程度密切相關，越靠近盾構隧道的部分沉降變形越大。

（2）泥水壓力從100kPa增加到200kPa時增大泥水壓力可有效降低車站結構沉降變形，超過200kPa時，影響效果不大。

（3）地層損失率的改變顯著影響地表和既有車站的變形。當地層損失率分別為0.1、0.3和0.5時，車站位移分別為7.7mm、11.3mm和14.1mm，車站位移隨著地層損失率的增大顯著增大。

工程中控制隧道拱頂和地表及車站沉降變形可從設置合理泥水壓力，降低地層損失率，調整注漿材料彈性模量、注漿壓力、注漿量等方面進行控制。在實際工程中可采取以下措施進行控制[3]：

（1）在盾構機穿越地鐵車站前，選擇相似地層條件的地段設置試驗段，確分析并掌握盾構掘進過程的影響范圍，各施工參數如泥水壓力、泥漿比重、盾構掘進扭矩、推力、掘進速度、注漿量等與控制地面沉降、地層變形的對應關系，總結合理的穿越施工參數。

（2）盾構機穿越車站前進行一次停機，對盾構機及其配套設備維修保養、更換刀盤刀具、檢修泥水處理系統，避免盾構過程中發生停機檢修。

（3）加強壁后注漿管理，選擇固結后彈性模量大的注漿漿液填充壁后空隙，控制地層損失，降低地面及既有車站沉降變形。

（4）減小地面沉降，最主要的是控制刀盤倉泥水壓力值和注漿壓力及注漿量。泥水壓力應比理論計算的靜止水土壓力之和多提高0.2bar，注漿壓力一般大于同等埋深的泥水倉壓力0.3-0.5bar，并隨泥水倉壓力的變化而變化，注漿量的一般控制在理論注漿量的1.8-2.2倍之間。

（5）加強工程實施過程的實時監測，通過VMT自動導向系統進行盾構機糾偏及掘進方向的控制，規定每環水平、垂直方向糾偏量，防止糾偏量過大造成地層擾動過大，導致既有車站結構沉降增大。