地铁风道近接下穿既有地铁车站引起的结构变形

陶连金， 郑 辉， 李文博， 王文沛， 王开源

(北京工业大学 岩土与地下工程研究所，北京 100124)

地铁风道近接下穿既有地铁车站引起的结构变形

陶连金， 郑 辉， 李文博， 王文沛， 王开源

(北京工业大学 岩土与地下工程研究所，北京 100124)

为保证北京某新建地铁风道工程近接施工安全，借助FLAC3D软件对该风道CRD工法的施工过程进行动态数值模拟。计算模型为地层结构模型，土体材料模型采用摩尔－库仑准则。结果表明:既有地铁车站最大沉降量为2.54 mm，发生在该车站东南出入口及风道结构转接的位置，车站与出入口的连接处最大沉降量为0.63 mm。靠近新建地铁风道开挖一侧的既有车站出入口侧墙最大水平位移为0.49 mm，车站与出入口连接处的纵向最大水平位移为0.28 mm。新建地铁风道工程对既有地铁车站整体结构变形影响较小，既有车站最大沉降量及轨道最大差异沉降值均在安全范围内。该研究为地铁工程的设计与施工提供了有益参考。

地铁车站;风道;结构变形;CRD法施工;数值模拟

0 引言

近年来，随着我国城市地下空间的飞速发展，新建地铁遇到许多近接施工问题［1－2］，出现多种立面交叉形式，例如隧道平行、上下正交、斜交以及隧道近接桩基、地下管网等。上海明珠线在靠近南浦大桥站端头井处隧道上下重叠在一起，两条隧道的最小净间距仅为2.0 m;深圳地铁一期工程罗湖至大剧院区间重叠隧道和天虹—岗厦区间隧道与民房桩基近接距离仅为0.31 m［3－4］;南京地铁1号线在下穿玄武湖公路隧道时，与玄武湖公路隧道底板的最小净距仅为1.004 m，是资料记载的两条隧道上下重叠的最小距离，属于超近接施工问题［5］。这种近接工程处在城市地上交通繁忙、地下管线密布、边界条件复杂的环境下，相互间的影响较大，加大了施工的控制难度。为此，我国学者进行了大量研究，提出了一些处理措施［3－4］。目前，暗挖法是地铁车站附属结构施工更趋于采用的方法。该方法对地面干扰小，不影响交通，可尽量避开市政管线。

北京市某新建地铁风道与既有车站主体结构水平距离7 m，风道初支与既有风道结构底板底净距离约为1.08 m，属于典型的近接施工问题。该风道采用CRD法施工，为保证既有车站的正常运营，利用FLAC3D软件对该车站风道近接下穿既有地铁车站的整个开挖过程进行了仿真模拟，分析了新建车站风道施工过程对既有地铁车站的变形受力影响，为地铁工程设计与施工提供了参考依据。

1 工程概况

既有地铁车站两端为三层明挖框架结构，中间为单层暗挖双连拱复合衬砌结构。车站共设四个出入口、两个风亭，主体全长181 m，其中，明挖段长118.2 m，宽18.9 m;暗挖段长61.2 m，宽19.3 m。基坑开挖深度为22.5 m，采用明挖顺作法施工，明挖段覆土埋深约2.8 m。南北基坑，1#、2#出入口及2#风道采取钻孔桩加钢支撑联合支护型。暗挖段覆土埋深14 m左右，矩形隧道间距17 m，两侧的袖阀管注浆阻水墙厚3 m，超前支护采用φ108 mm大管棚，管棚长30 m，内插4φ16 mm钢筋笼，管内用水泥砂浆填充密实。1号风道、竖井与既有车站平面关系如图1所示。

新建地铁隧道西南侧1号风道垂直下穿既有东南风道，风道初支与既有风道结构底板底的净距离约为1.08 m。按照风险源分级管理办法［6］，风险等级属于特级。风道下穿既有风道剖面如图2所示。

图2 风道下穿既有风道剖面Fig.2 Profile of air duct passing under existing air duct

2 数值模拟

应用FLAC3D软件分析新建地铁车站风道结构施工对既有地铁车站结构变形的影响。

2.1 参数选取

数值分析计算采用地层结构模型。岩土参数根据岩土勘察报告确定，见表1。既有地铁车站、出入口、风道以及新建车站支护结构参数见表2。

2.2 计算模型

土体模型根据弹塑性理论计算，材料模型采用摩尔－库仑准则。土体及结构均采用实体单元。模型上边界为地表，取为自由边界，其他面均采取法向约束。数值计算考虑自重条件下的应力场。

表1 地层物理力学参数Table 1 Parameters of soil property

表2 风道近接下穿既有地铁车站结构参数Table 2 Structure parameters of air duct passing under existing subway station

为更好地模拟实际施工过程，在保证计算精度的前提下对模型进行合理简化。该模型边界取隧道直径的4～5倍。结合数值模拟经验，新建地铁车站1号风道下穿既有地铁线东南车站出入口及风道整体地层模型长200 m，宽120 m，高60 m，共有3 447 308个单元，352 495个节点，数值计算模型如图3所示。既有地铁线东南车站主体距地表3 m，新建地铁线1号风道距既有10号线出入口及风道底板1.08 m，风道竖井出露地表。风道近接下穿既有地铁车站主体结构位置关系如图4所示。

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical model

2.3 模拟施工工序

根据新建地铁车站1号风道下穿既有地铁车站主体、出入口及风道施工过程，计算模型的风道施工横向开挖分三道工序(图5)，纵向开挖分四道工序(图4)，共十二道工序。横向开挖工序如下:

工序一 左部导洞开挖(上部左导洞①开挖，施加衬砌;中部左导洞②开挖，施加衬砌)。

工序二 右部导洞开挖(上部右导洞③开挖，施加衬砌;中部右导洞④开挖，施加衬砌)。

工序三 下部导洞开挖(下部左导洞⑤开挖，施加衬砌;下部右导洞⑥开挖，施加衬砌)。

当新建车站风道结构纵向开挖至工序二结束时，风道右侧封堵左侧继续开挖。

图4 风道近接下穿既有地铁车站主体结构位置关系Fig.4 Position relationship of air duct passing under existing subway station

图5 施工横向开挖工序Fig.5 Construction steps

2.4 结果与分析

根据数值模型分析新建地铁车站风道结构开挖后既有车站底板和出入口变形情况。图6为新建地铁整体结构最大竖向位移云图。

从图6可以看到，既有车站最大沉降量为2.54 mm，发生在既有地铁车站东南出入口及风道结构转接的位置，其中车站与出入口的连接处最大沉降量为0.63 mm。该竖向位移是十二歩序累加的结果，风道开挖采用CRD法分段开挖方式，从空间位置关系上看，正是风道上方对应的出入口的变形值最大位置，出入口典型截面1即既有车站最大沉降位置(图7)沉降量在3 mm以内，满足地铁安全要求。

图7 典型截面1Fig.7 Typical cross-section 1

由于新建地铁车站风道结构是在既有地铁车站东南侧地下开挖的，其开挖势必会造成既有车站水平方向发生位移。表3为各施工工序中既有结构(车站主体、出入口等)横向变形计算结果。

表3 各施工工序中既有结构横向变形最大值Table 3 Maximum horizontal deformation in construction process of structure

可以看到，靠近新建地铁风道开挖一侧的既有车站出入口侧墙最大水平位移为0.49 mm。从车站纵向来看，最大水平位移出现在车站与出入口的连接处，最大水平位移为0.28 mm。

随着既有车站结构的变形，道床也会发生差异沉降，导致轨道纵向和横向不平顺［7］，因此选取出入口典型截面1分析轨道的竖向和横向最大变形，变形曲线如图8所示。由图8所示，车站出入口轨道竖向变形发生在距离该出入口14 m处，变形值为2.45 mm;横向变形在轨道出入口处最大，为0.16 mm，随着与出入口距离的增大，横向变形的位移逐渐减小。

图8 典型截面1(轨道)变形曲线Fig.8 Deformation curves of typical cross-section 1(track structure)

在既有车站结构上选取典型截面2和截面3 (图9)，分析既有车站左线与右线轨道在新建风道结构不同施工阶段发生的差异沉降。两个典型截面的竖向和横向变形曲线如图10所示。

图9 典型截面2、3Fig.9 Typical cross-section 2，3

图10 既有车站典型截面2、3变形曲线Fig.10 Deformation curves of typical cross-section 2，3 of existing subway station

从图中可以看出，车站南端明挖段典型截面2和3最大竖向变形发生在明挖段的中间位置，竖向变形分别为0.48 mm和0.40 mm;最大横向变形发生在明挖段与暗挖段相接的位置，横向变形分别为0.19 mm和0.28 mm。该端暗挖段典型截面2和3最大竖向变形发生在暗挖段与明挖段相接的位置，竖向变形分别为0.22 mm和0.11 mm;最大横向变形发生在明挖段与暗挖段相接的位置，横向变形分别为0.20 mm和0.28 mm。横向和竖向变形最大差异沉降值很小，为－0.5～+0.5 mm和－0.25～+0.5 mm，均在轨道安全管理值范围内。

综上所述，新建地铁车站风道施工对于既有地铁车站的变形影响比较小，既有地铁车站的最大沉降量及道床最大差异沉降值均在安全范围之内。该研究为新建地铁风道的设计与施工提供了有益参考。

3 结论

(1)既有车站最大沉降量为2.54 mm，发生在既有地铁车站东南出入口及风道结构转接的位置，其中车站与出入口的连接处最大沉降量为0.63 mm。靠近新建地铁风道开挖一侧的既有车站出入口侧墙最大水平位移为0.49 mm。从车站纵向来看，最大水平位移为0.28 mm，出现在车站与出入口的连接处。

(2)新建地铁车站风道施工对于既有地铁车站的变形影响比较小，既有地铁车站的最大沉降量及道床最大差异沉降值均在安全范围内。

(3)建议在施工中建立围岩支护结构监控量测系统，随时掌握施工过程中的动态变化，合理安排，调整施工工艺和修改设计参数，确保施工安全。

［1］仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究［D］.成都:西南交通大学，2003.

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［3］白廷辉，尤旭东，李文勇.盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术［J］.地下工程与隧道，2000(3):2－6.

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［5］张志强，何 川.南京地铁区间盾构隧道“下穿”玄武湖公路隧道施工的关键技术研究［J］.岩土力学，2005，26(11): 1711－1716.

［6］关继发.新建地铁隧道穿越既有地铁安全风险及其控制技术的研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2008.

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Deformation caused by nearby existing subway station with under crossed air duct

TAO Lianjin， ZHENG Hui， LI Wenbo， WANG Wenpei， WANG Kaiyuan
(Institute of Geotechnical＆Underground Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Aimed at ensuring the safety of the air duct construction of a newly built subway station in Beijing，this paper introduces the use of FLAC3D to perform the dynamic numerical simulation of CRD method-based construction of subway air duct project.This method involves stratigraphic structure model as the computational model and the soil material model is Mole－Coulomb criterion.The results suggest that the existing station is subject to the largest settlement of 2.54 mm，occurring at the southeast entrance of the station and the transferring location of the air duct structure，leaving the connection place of the station and the entrance exposed to the largest settlement of 0.63 mm，and the entrance side wall near the excavation place of subway air duct is subject to the horizontal displacement of 0.49 mm.The connection place of the station and the entrance experiences the largest horizontal displacement of 0.28 mm.The air duct construction exerts a less effect on the overall deformation of the station structure，keeping both the largest settlement of the existing station and the differential settlement of the track within the safety range.This research offers the useful reference for the design and construction of the subway project.

subway station;air duct;structural deformation;CRD method;numerical simulation

U231

A

1671－0118(2011)05－0381－05

2011－09－06

北京市自然科学基金重点项目(KZ200910005009)

陶连金(1964－)，男，黑龙江省鸡西人，教授，博士，研究方向:岩土与地下工程，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。

(编辑荀海鑫)