地铁暗挖车站近接既有结构施工响应分析

扈士琰

(中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京100025)

近接既有地下结构的主要风险来自施工过程对既有结构影响［1－4］。多位学者对地铁车站、区间近接既有结构进行了相关研究，得出了一些有益结论［5－10］。本文选取北京地铁15号线奥林匹克公园站近接既有隧道结构为依托，针对北京地区砂性土与粘性土互层的地质条件，采用三维数值计算与现场实测对暗挖车站近距离近接既有隧道结构进行动态模拟，分别从近接施工引发的地表沉降、既有隧道结构竖向位移的角度对施工扰动效应进行分析，研究现有开挖方式与支护参数条件下近接既有结构的安全性，为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程背景

暗挖车站结构宽 25.5 m，高 16.2 m，长126 m，采用8导洞开挖。暗挖车站施工前，已经对洞周围岩进行降水，所以不考虑地下水的作用。暗挖车站近接既有结构剖面关系如图1所示。

暗挖车站近接既有隧道结构施工步序:

(1)开挖小导洞前超前加固洞周地层。

(2)先开挖导洞1、4，然后开挖导洞2、3，两者错距5 m，导洞支护后施作车站结构两侧钻孔灌注桩及桩顶冠梁。

(3)先开挖导洞5、8，然后开挖导洞6、7，两者错距5 m，导洞支护后施作车站结构两侧钻孔灌注桩。

(4)在导洞1、4内施作桩顶冠梁并回填，同时施作钢管桩。

(5)开挖车站顶板上部土体，施作车站顶板。

(6)开挖站厅层下部土体，并施作车站中楼板及侧墙。

(7)开挖车站下部土体，施作车站底板及侧墙，封闭车站结构。

2 计算模型的建立

2.1 计算模型的建立

以北京地铁15号线奥林匹克公园站近接既有结构为依托，地下结构开挖只会影响周边一定范围内的土体，计算模型边界范围:选取暗挖车站宽度方向为x轴，数值为125 m;选取暗挖车站长度方向为y轴，数值为45 m;选取土层重力方向为z轴，数值为85 m。根据勘察单位提供的资料，区域内地层自上而下可分为6层，暗挖车站近接既有结构共有40 226个节点、10 320个单元。计算模型网格划分如图2所示。

暗挖车站近接既有隧道结构计算模型采用位移边界条件:两侧约束水平位移，底部约束竖向位移，顶部为自由边界。

2.2 计算参数的确定

计算模型遵循如下基本假定:

(1)区域内地层服从Drucker－Prager弹塑性屈服准则;车站与既有隧道结构服从理想线弹性本构模型。

(2)各地层近似层状分布。

(3)不考虑地下水与构造应力的影响。

区域内地层物理力学参数如表1所示。

钢筋混凝土结构采用理想线弹性模型，弹性模量为 25.5 GPa，泊松比为 0.2。

表1 围岩力学参数Tab.1 Mechanical parameters of surrounding rock mass

3 近接既有结构计算分析

选取计算模型y轴中间断面为重点研究对象，分别从近接施工引发的地表沉降、既有隧道结构竖向位移及各阶段既有隧道结构强度检算的角度，对地铁暗挖车站近接既有结构施工响应进行数值分析。

3.1 地表沉降

暗挖车站近接既有结构施工引发的地表沉降是表征土建施工对环境影响的重要指标，特别是对于建筑物密集分布、交通繁忙、管线较多的中心城区。

图3为地铁暗挖车站施工引发地表沉降曲线，可得以下结论:

(1)暗挖车站导洞2、3开挖引发地表沉降占最终位移值的41.9%，所占比例最大;导洞1、4开挖引发地表沉降所占次之，比例数值为27.4%。

(2)由计算结果可得，上部导洞开挖引发的地表沉降比例达到69.3%，因此成为暗挖车站近接既有结构的关键步序，应超前注浆加固洞周地层，缩短开挖进尺，及时施作桩顶冠梁及钢管柱，增大车站结构的竖向刚度。

(3)暗挖车站近接既有隧道结构引发的地表沉降最大值出现在车站中线部位，影响范围为车站中线两侧约40 m。

3.2 既有隧道结构竖向位移

暗挖车站施工引发既有结构变形，既有隧道结构的竖向位移成为近接施工响应的重要评价指标。

图4为暗挖车站不同施工阶段既有隧道结构位移云图，可得以下结论:

(1)既有隧道结构竖向位移变化值最大发生在开挖导洞2、3阶段，位于新建车站中线上方最大值为8.37 mm;

(2)暗挖车站施工完成后，既有隧道结构竖向位移最大值为11.2 mm，满足《城市桥梁养护技术规范》安全要求，说明现行开挖方法与支护参数条件下，地铁暗挖车站近接施工可以确保既有结构安全运营。

图5为地铁暗挖车站施工引发既有隧道结构竖向位移，可得以下结论:

(1)暗挖车站导洞2、3开挖引发既有隧道结构竖向位移所占比例最大，这与地表沉降规律一致。

(2)暗挖车站导洞1、4时，既有隧道结构底板下中部土体有一定范围的隆起变形，建议导洞1、4与2、3错距开挖，减小开挖进尺。

4 现场实测对比

选取地铁车站中线上方地表测点进行地表沉降跟踪监测，与数值计算结果进行对比，如表3所示［9－10］。

表3 地表沉降分阶段控制Tab.3 The ground settlement control by stage

由表3可得地铁车站中线上方地表沉降变形规律:暗挖车站导洞2、3开挖引发地表沉降占最终位移值的41.4%，所占比例最大;导洞1、4开挖引发地表沉降所占次之，比例数值为26.9%，这与数值计算结果基本吻合。

5 结论

1)暗挖车站导洞2、3开挖引发地表沉降占最终位移值的41.9%，导洞1、4开挖引发地表沉降为27.4%，上部导洞开挖成为暗挖车站近接既有结构的关键步序。

2)上部小导洞开挖应超前注浆加固洞周地层，缩短开挖进尺，及时施作桩顶冠梁及钢管柱，增大车站结构的竖向刚度。

3)暗挖车站近接既有隧道结构引发的地表沉降最大值出现在车站中线部位，影响范围为车站中线两侧约40 m。

4)暗挖车站施工完成后，既有隧道结构竖向位移最大值为11.06 mm，满足《城市桥梁养护技术规范》安全要求。

5)暗挖车站导洞1、4时，既有隧道结构底板下中部土体有一定范围的隆起变形，建议导洞1、4与2、3错距开挖，减小开挖进尺。

6)通过不同施工阶段弯矩对比，在暗挖车站下结构施工扰动条件下，近接既有结构满足结构强度安全要求。

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