大直徑盾構隧道與臨近地鐵車站的交互影響研究

摘要：為了解決盾構隧道穿越地鐵車站施工過程中隧道及既有車站變形的問題，結合現場監測結果，采用PLAXIS3D有限元軟件對某大直徑盾構隧道穿越臨近既有地鐵車站的施工過程進行數值模擬分析，研究了大直徑盾構隧道與臨近地鐵車站的相互影響，探索了注漿壓力、掌子面壓力下隧道及既有車站的結構變形規律。研究結果表明：1）當注漿壓力在70%～90%上覆土層重力范圍內時，提升注漿壓力能顯著控制隧道和既有車站變形;2）當掌子面壓力小于1.5倍掌子面側向靜止土壓力時，隧道拱頂沉降隨掌子面壓力呈線性增大，反之，隧道拱頂沉降則加速增大;3）在盾構隧道施工過程中，盾構隧道和既有車站均有較為顯著的變形，且主要影響1.5倍直徑范圍內的區域。研究結果可為新建隧道開挖對地下既有管道和結構物的影響研究和施工提供參考。

關鍵詞：地下工程;大直徑盾構隧道;既有車站;PLAXIS3D;變形規律

中圖分類號：TP29文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04005

Study on interactions between large diameter shield tunnel

and adjacent subway station

WANG Tuoxin

（Infrastructure Construction Department， Xi′an Polytechnic University， Xi′an， Shaanxi710048， China）

Abstract：In order to solve the deformation problem of the tunnel and the existing subway stations when the shield tunnel passing through the subway station in construction， combining with the field monitoring results， PLAXIS3D finite element software was used to simulate the construction process of a large diameter shield tunnel passing through the adjacent existing subway station， and the interaction between the large diameter shield tunnel and the adjacent subway station was studied. The structural deformation law of tunnel and existing station under grouting pressure and face pressure was explored. The results show that： 1） when the grouting pressure is in the range of 70%～90% of the gravity of the overlying soil， the deformation of the tunnel and the existing station can be significantly controlled by increasing the grouting pressure; 2） when the tunnel face pressure is less than 1.5 times of the lateral static earth pressure， the tunnel vault settlement increases linearly with the tunnel face pressure， on the contrary， the tunnel vault settlement increases rapidly; 3） in the process of shield tunnel construction， the shield tunnel and the existing station have significant deformation， and mainly affect the area within 1.5 times of the diameter. The research results can provide reference value for the research and construction of the influence of new tunnel excavation on existing underground pipelines and structures.

Keywords：underground engineering; large diameter shield tunnel; existing station; PLAXIS3D; deformation law

新建地鐵隧道和既有構/建筑物在特定的空間位置產生的立體交叉使得穿越工程越來越多，對新建隧道的設計、施工技術及既有線的變形控制技術提出了新挑戰。針對盾構隧道穿越既有構/建筑物的研究方法主要有理論分析法、數值模擬法、室內模型試驗法以及現場測法等[1-4]。KLAR等[5]通過地基模型對新建隧道開挖對其上覆既有管道的影響進行研究，但未充分考慮地層變形的連續性，導致研究結論在理論上存在一定缺陷;VORSTER等[6]基于經典的彈性均質半空間理論，分析了新建隧道開挖對地下既有管道和結構物的影響;陽軍生等[7-9]創建了概率積分預計法，對淺埋隧道開挖支護引起的地表移動和變形進行預測，推動了隨機介質理論從理論到應用的發展;VUM等[10]利用現有的有限元計算程序分析盾構隧道開挖對既有管線的影響，提出了開挖面地層損失的計算方法;賈瑞華等[11]通過對隧道開挖進行模擬并結合現場實測數據，分析了地鐵隧道開挖施工對電纜隧道的影響;MROUEH等[12]建立了三維數值模型，分析了軟土隧道開挖對地面建筑的影響。指出隧道開挖引起的應力大小取決于鄰近建筑物是否存在，建筑物自重對隧道開挖引起的應力有很大影響;王非等[13]基于適用于三維隧道分析的彈塑性土體本構模型，利用數值分析方法研究注漿壓力和掌子面推力變化對盾構隧道施工沉降的影響規律，提出了考慮施工因素對隧道沉降變形影響的計算方法;劉鎮等[14]、房明等[15]通過數值模擬的計算方法研究了圍巖地質條件、埋深、間距以及頂推力等因素對地層及既有隧道結構變形的影響規律;劉招偉等[16]通過對廣州地鐵二號線某區間隧道施工過程進行現場監測，將監測結果與有限元計算結果進行對比分析，得出了盾構法施工引起的地表沉降規律。目前針對大直徑盾構隧道穿越既有地鐵車站的相關研究較少。筆者結合某大直徑盾構隧道穿越既有地鐵車站的工程背景，建立三維數值模型進行模擬，研究了注漿壓力和掌子面壓力對隧道結構及既有車站的影響。同時通過對現場監測結果的分析，總結盾構隧道施工過程中隧道及既有車站的變形規律。第4期王拓新： 大直徑盾構隧道與臨近地鐵車站的交互影響研究河北工業科技第38卷

1工程概況

某隧道在DK22+855-DK22+960段下穿地鐵車站，穿越段落左右線隧道平行布置，隧道與地鐵站平面位置如圖1所示。

該盾構隧道屬于大直徑盾構隧道，直徑達10 m（常規盾構隧道直徑為6～8 m）。該段隧道拱頂距地表26.5 m，隧道位于車站單雙層結構分界位置正下方，同時下穿2號風亭、1號出入口，隧道與地鐵車站豎向關系圖如圖2所示。

該盾構隧道下穿地鐵車站段，隧道洞身所處地層主要為黏土、粉質黏土、粉土、砂性土。各土層巖性特征如表1所示。隧道大部分位于粉質層和細沙層中，且主要在粉質層中，該地層非常適合盾構掘進。

2盾構施工參數影響分析

2.1有限元模型的建立

隧道-車站結構整體模型如圖3所示。模型整體尺寸為180 m×150 m×50 m。隧道直徑為10 m，總長為150 m，軸線間距為23 m，隧道拱頂距地表26.5 m，地鐵車站在其上方10 m處。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，盾構機外殼采用板單元模擬。土體采用M-C本構模型。

2.2參數設定

土體參數根據當地土質監測報告確定，取值如表1所示。車站結構及隧道襯砌參數取值如表2所示。

2.3注漿壓力的影響

隧道施工完成后，距地鐵車站50 m處隧道橫斷面地表沉降曲線如圖4所示。

圖4研究了3種不同的注漿壓力工況，可以看出，不同注漿壓力下的地表沉降規律基本一致，盾構隧道施工主要引起隧道周邊1.5倍直徑范圍內的土體變形。當注漿壓力為200 kPa時，地表最大沉降約為4.7 cm;當注漿壓力增大到300 kPa時，地表最大沉降約為2.9 cm，減小了約40%;當注漿壓力增大到400 kPa時，地表最大沉降約為2.5 cm，較注漿壓力300 kPa時減小了約15%。可以看出注漿壓力對地表土體變形有顯著影響。

隧道施工過程中刀盤距離車站結構不同距離時軌道結構沉降如圖5所示。

可以看出，當注漿壓力提升到400 kPa時，軌道結構沉降顯著減小。因此，提升注漿壓力可以有效控制隧道的變形。

不同注漿壓力下的車站結構豎向位移云圖如圖6所示。

可以看出，由于下方隧道的存在，車站主體的最大豎向位移發生在隧道與既有車站主體凈距離最小處。注漿壓力分別為200，300和400 kPa 時，車站結構的最大位移分別為3.7，7和2.1 mm。可見，提升注漿壓力可以有效控制地鐵車站的變形。

為了更好地描述注漿壓力對隧道變形的影響，將注漿壓力無量綱化（注漿壓力/上覆土層重力）。隧道拱頂沉降隨注漿壓力變化曲線（觀測點取車站結構前50 m處的剖面）如圖7所示。

當注漿壓力小于上覆土層重力70%時，注漿壓力的提升并不能顯著控制隧道的變形。隨著注漿壓力的進一步增大，隧道拱頂沉降顯著減小。當注漿壓力大于上覆土層重力90%時，進一步提升注漿壓力對改善隧道拱頂沉降的效果不佳。因此，本工程在實際施工時的注漿壓力取為70%的上覆土層重力。

2.4掌子面壓力的影響

觀測點隧道拱頂位移隨著掌子面掘進的變化曲線如圖8所示。

隨著掌子面的掘進，隧道拱頂沉降越來越大，當刀盤距觀測點截面5 m時，拱頂沉降達到峰值。隨著掌子面進一步掘進，隧道拱頂沉降迅速減小。當掌子面掘進到觀測點時，拱頂沉降減小至零，隨后隧道拱頂出現隆起，并且隆起迅速增大，在掌子面前5 m處隆起值達到峰值，這是由于掌子面壓力造成前方土體隆起。

掌子面前5 m處隧道橫斷面位移如圖9所示。掌子面壓力分別為250，350和450 kPa時，土體隆起位移分別為0.83，1.21和1.89 cm。可見，掌子面壓力對隧道變形有顯著影響。

3種掌子面壓力下的車站結構豎向位移云圖如圖10所示。

掌子面壓力分別為250，350和450 kPa時，車站結構的最大位移分別為3.7，2.7和2.1 mm。可見，掌子面壓力對車站結構變形有顯著影響。

將掌子面壓力無量綱化（掌子面壓力/掌子面側向靜止土壓力）。隧道拱頂沉降隨掌子面壓力變化曲線（觀測點取車站結構前50 m的位置）如圖11所示。

當掌子面壓力小于1.5倍掌子面側向靜止土壓力時，隧道拱頂沉降隨掌子面壓力線性增大。隨著掌子面壓力超過1.5倍掌子面側向靜止土壓力，隧道拱頂沉降加速增大。因此，本工程盾構施工時掌子面壓力控制在1.5倍側向靜止土壓力。

3基于監測數據的隧道和既有車站變形分析

該盾構隧道下穿地鐵車站的監測對象為下穿施工影響范圍內的隧道、車站既有結構及周邊環境，具體檢測項目包括車站結構、隧道結構與軌道的豎向變形監測。

3.1監測變形控制指標

根據該工程設計文件及安全性影響評估報告要求，既有地鐵監測控制值如表3所示。

3.2既有地鐵現場監測作業方法

車站結構、隧道結構豎向位移變形監測點布設于車站及區間結構上。共布設6個監測斷面，每個監測斷面2個車站結構豎向位移測點;穿越位置兩側以20 m間距布設斷面，東西兩側各布設2個斷面，每個監測斷面2個車站結構豎向位移測點。A出入口及2號風道布設結構豎向位移變形測點共計32個。測點布置如圖12所示。

3.3數值結果和監測結果對比

監測點C04-1的隧道拱頂沉降的對比如圖13所示。

數值模擬計算結果與監測結果較為吻合，誤差在10%以內，驗證了上述數值模型的正確性。

3.4隧道和車站結構監測結果分析

車站內軌道結構沉降隨日期變化的曲線如圖14所示。

圖中選取了C04-1，C05-1，C06-1等3個測點，分別提取2018年2月12日—28日內的軌道沉降數據。可以看出，3個測點的沉降規律一致，當刀盤距離車站結構50 m時，軌道結構開始產生沉降，并在刀盤到達車站結構前緩慢增大;2018年2月21日—23日，當盾構開挖至車站結構正下方時，軌道結構的沉降顯著增大，并在2月21日達到沉降最大值;隨著盾構的進一步掘進，沉降出現了小幅回彈，并且軌道結構沉降趨于穩定。

不同日期軌道結構測點C02-1—C09-1的監測結果（即軌道結構橫斷面沉降曲線圖）如圖15所示。

選取了2018年2月24日—27日的軌道沉降數據，在垂直盾構隧道掘進方向上，軌道結構沉降的峰值發生在左線隧道左右邊墻處，距離隧道中心線越遠，沉降越小。距離左線隧道中線15 m距離外測點的沉降量迅速減小。該盾構隧道直徑為10 m，表明盾構隧道對周邊1.5倍直徑范圍內土體有顯著影響。

距車站50 m處不同開挖時間的垂直于隧道掘進方向的地表沉降如圖16所示。

從左線隧道中心線左側-25 m到右側25 m，每隔5 m設置一個監測點，將監測結果繪成地表沉降曲線。從圖16中可以看出，距離左線隧道中心線15 m處，地表沉降開始迅速增大。地表沉降曲線也呈現出近似于正態分布的趨勢，與Peck公式給出的曲線較為相似。同樣可以看出，盾構隧道施工主要的影響區域是1.5倍直徑范圍內的土體。

車站結構最大變形監測結果如表4所示。可以看出，盾構隧道的施工會引起既有地鐵車站主體結構、出入口和風亭較為顯著的變形，但均在地鐵安全運營范圍之內。

綜上所述，從數值模擬結果和監測結果可以看出，盾構隧道施工過程中，在合理的范圍內提升注漿壓力和掌子面壓力能有效控制車站的變形在地鐵安全運營范圍之內，從而保證了施工的順利進行。

4結語

本文結合某大直徑盾構隧道穿越既有地鐵車站的工程背景，采用PLAXIS3D模擬分析注漿壓力和掌子面壓力對隧道結構及既有車站的影響。同時通過對現場監測結果的分析總結了盾構隧道施工過程中大直徑隧道及既有車站變形規律。得出以下主要結論。

1）當注漿壓力在70%～90%上覆土層重力范圍內，隧道和既有車站變形隨著注漿壓力的提升顯著降低。

2）掌子面壓力小于1.5倍掌子面側向靜止土壓力時，隧道拱頂沉降隨掌子面壓力呈線性增大。反之，則加速增大。

3）大直徑盾構隧道穿越既有地鐵車站過程中，盾構隧道和既有車站均有較為顯著的變形。主要的影響區域是1.5倍直徑范圍內。

模型中對襯砌管片進行了簡化，后續研究將細化襯砌管片及接頭的模擬，并通過力學試驗獲取更為準確的注漿漿液力學參數。

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