深埋软岩小净距隧道近接既有车站的位移响应

扈世民

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)



深埋软岩小净距隧道近接既有车站的位移响应

扈世民

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

以在建的重庆轨道交通10号线红土地站为工程背景，新建车站采用分离式小净距隧道近距下穿既有车站。通过三维数值分析与现场实测相结合，对既有车站结构的位移响应进行分析。既有结构的竖向位移的位移响应服从双Peck拟合曲线，左、右线隧道开挖引发的竖向位移产生叠加，开挖上台阶和拆除临时支撑为位移控制的关键环节；小净距隧道开挖引起的能量释放被既有车站结构吸收，下穿既有结构所得沉降槽宽度参数值为天然地层条件下的0.924倍；深埋软岩小净距下穿既有结构隧道地层损失率取值范围为0.108%～0.16%；上台阶开挖注意控制拱部中空注浆锚杆的超前加固效果，形成一定范围的承载拱；施作隧道仰拱后方可分段拆除临时中隔壁，拆除范围为6～7m。结果表明，现场实测和数值计算的结果基本吻合。 关键词 城市轨道交通；小净距隧道；深埋；沉降槽宽度参数；地层损失率；位移响应

1 研究现状

近年来重庆市轨道交通建设迅速发展，新建的地铁结构越来越多地下穿既有结构，近接施工过程中对既有地铁结构产生扰动。如何确保新建结构施工时既有结构的正常运营成为地铁建设的难点和重点。根据《北京市轨道交通工程风险工程分级与设计指南》(BJMTR/RM-CF-03，2013.05)，轨道交通下穿既有地铁线路(含铁路)风险源等级为特、一级，因此开展针对近距下穿既有车站的位移响应研究尤为重要[1-4]。

1969年Peck根据现场实测数据对隧道开挖引起的地表沉降进行分析，认为隧道上覆地层的地表沉降可用正态分布进行拟合。P.B.Schmid在Peck研究的基础上，提出了单洞隧道上覆地层的地表沉降关于宽度参数K、地层损失率V1为参数的函数[5]。

刘波、陶龙光、丁城刚等对地铁双线隧道开挖引发的地表沉降进行预测，表现为单洞引发的Peck曲线的叠加[6]，如图1所示。

图1 双线隧道开挖引发的沉降曲线

(1)

i=K(z-z0)

(2)

其中：s(x)为隧道地表任一点的沉降值；x为地表点到隧道中间岩柱中线的水平距离；i为隧道中心线到地表沉降槽反弯点的距离；K为地表沉降槽宽度参数；V1为地层损失率；D为双线隧道线路中线的距离。

韩煊、刘赪炜、J R STANDING等对英国伦敦JLE地铁、北京地铁5号线及10号线的下穿工程实测数据进行分析，得出近接施工引发的既有结构的位移整体符合Peck曲线，表现为柔性变形。目前的研究多集中在第四系土质地层，针对重庆地区深埋条件下岩层小净距隧道下穿既有结构的位移响应研究较少[7-10]。

选取在建的重庆轨道交通10号线(建新东路—王家庄段)工程红土地站下穿既有6号线地铁车站为工程背景，采用三维数值分析与现场实测相结合，对深埋软岩小净距隧道近距下穿既有车站的位移响应进行分析，基于Peck曲线的方法对既有车站结构进行预测，提出小净距隧道近距下穿既有车站位移控制措施，为类似工程提供借鉴和参考。

2 工程概况

重庆轨道交通10号线(建新东路—王家庄段)工

程全部位于两江新区内，线路长度为32.15 km，其中地下段长度为24.85 km，高架段长度为7.3 km。该段工程共涉及车站19座，其中地下站18座。

重庆轨道交通10号线(建新东路—王家庄段)工程红土地站位于五红路下方，呈南、北向布置，采用15 m岛式站台，单拱双层(局部3层)结构，车站主体采用暗挖法施工。车站总长度为222 m，二衬结构宽25.2 m，高度20.81 m，车站为复合式衬砌结构。车站埋深较大，顶部覆盖层厚度约65.1～72.9 m。

该站与既有6号线红土地站呈十字换乘，6号线红土地站位于该站上方，与既有结构净距为5.06 m，6号线红土地站为单拱双层结构，车站主体结构剖面宽23.16 m，高18.36 m，目前运营状态良好，如图2、3所示。

图2 小净距隧道下穿既有车站纵剖面

图3 小净距隧道下穿既有车站横剖面

红土地站下穿段采用小净距隧道、双层拱形结构，单洞间净距为1.66 m，下穿段加固措施包括：

1) 进洞前超前小导管加固拱部围岩，φ42超前注浆小导管，L=6.0 m，环距0.4 m，外插角为10°、15°，共2环；

2) 下穿段严格采用非爆破开挖，CRD法施工；

3) 中间岩柱设置中空注浆对拉锚杆R25@1m×0.5 m，L=2.5 m，梅花形布置；

4) 先开挖右线隧道，待右线隧道初支及二衬施作完成后再开挖左线隧道；

5) 加强初期支护刚度，工25a型钢钢架@0.5 m，开挖进尺采用0.5 m；

6) 上下台阶错距不大于5 m，及时封闭初支；

7) 对初支背后及时充填注浆，避免产生空隙；

8) 加强既有轨道及既有结构的监控量测，根据监测数据对施工方案进行动态调整。

3 基于现场实测数据分析的位移响应

3.1 基于Peck 公式既有车站的竖向位移拟合

在建的10号线红土地站采用分离式的小净距隧道下穿既有地铁车站，通过既有车站仰拱部位布置测点，对既有车站竖向位移和水平位移进行动态监测，实测数据表明，车站结构的水平位移较小，选取既有车站竖向位移进行分析，施工步序及测点布置如图4、5所示。

采用Matlab7.0工具箱对现场实测数据进行拟合，拟合函数采用式(1)、(2)中z为10号线红土地站等效埋深、z0为6号线红土地站仰拱埋深。smax初始值取6号 线红土地站竖向位移平均值，采用Legendre-Gauss 求积法进行回归分析，先开挖右线隧道，当开挖左线隧道时存在2条Peck曲线的叠加，故选取左线隧道为例，拟合结果如图5所示。

图5为下穿段左线隧道不同的施工阶段，通过分析既有结构竖向位移可得以下结论。

1) 下穿段小净距隧道采用CRD法施工，每侧隧道分为左、右两个导洞，每侧导洞分为上、中、下3个台阶。上台阶开挖引发既有结构的竖向位移累计所占比例为27.4%，中台阶和下台阶累计比例为9.6%和12.4%。

2) 考虑到CRD法施工中，中隔壁的拆除对洞周扰动较大，待浇筑仰拱及回填层，结合监控量测数据分段(约6～7 m)拆除临时支撑，拆除临时支撑引发的既有结构的竖向位移累计所占比例为30.1%。

图4 既有车站结构监测平面

图5 左线隧道不同施工步序拟合曲线

3) 在小净距隧道施工过程中，左、右线隧道开挖引发的竖向位移产生叠加。由于隧道开挖断面积较大、中间岩柱的宽度较小，既有结构竖向位移叠加曲线未表现出双峰值特征。

4) 下穿既有结构仰拱竖向位移引起的地表沉降服从Peck曲线，实测值竖向位移最大值为8.42 mm，满足隧道结构竖向位移不大于10 mm的要求。

3.2 既有车站的竖向位移拟合结果分析

1) 沉降槽宽度参数K。图6为天然泥岩地层条件与下穿既有地铁车站结构相同位置竖向位移曲线对比。

图6 天然岩层和下穿既有结构条件拟合曲线

根据实测数据的拟合结果，深埋软岩小净距隧道沉降槽宽度参数K取值范围为2.89～3.82。通过有限元差分程序FLAC3D建立三维计算程序，对不含既有结构的车站开挖引起的相同位置的竖向位移进行分析，可得下穿既有结构的K值较大，为天然地层条件下的0.924倍。这与韩煊、李宁、J R.STANDING等[7]统计结果相吻合。

下穿既有结构工况所得K值较小，主要是由于小净距隧道开挖引起的能量释放被既有车站结构扰动，表现为2个方面：地下车站的开挖引发了影响范围内地层的能量释放，既有结构吸收了部分能量转换为应变能，表现为既有结构产生了一定的位移；既有地铁车站结构阻隔了能量向上的传播，而只能向水平向扩散，故比天然泥岩工况条件下水平向的影响范围小。

2) 地层损失率V1。根据实测数据的拟合结果，深埋软岩小净距隧道地层损失率V1取值范围为0.108%～0.16%，主要是小近距隧道采用CRD法分步开挖、及时施作初期支护，故地层损失率V1整体数值不大。图6对比了天然泥岩工况条件下的地层损失率V1，二者相差不大。

3.3 施工过程中的关键环节

通过实测数据分析和数值计算对下穿段施工关键环节提出相关要求：

1) 下穿段严格采用非爆破开挖，拱部设置中空注浆锚杆，注意对注浆效果的控制，超前加固拱部岩体；

2) 施作隧道仰拱后，结合监控量测数据分段(约6～7 m)拆除临时中隔壁；

3) 严格按照设计上、中、下台阶高度开挖，及时支护；

4) 及时对初衬背后进行注浆填充，注浆 材 料 采用

水泥浆，压力控制在0.1～0.3 MPa，以初衬与土层密贴为原则。在铺设防水层前，初衬表面不应有明水，否则在渗漏水部位应进行衬砌背后注浆，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa。

4 基于数值计算分析的位移响应

4.1 数值模型的建立

根据红土地下穿既有车站的工程实际，通过有限元差分程序FLAC3D建立小净距隧道下穿既有车站的数值模型。根据Saint Vecant原理，地下车站施工仅影响洞周一定范围的岩体，故计算模型的范围为：以新建车站横断面宽度方向为x轴，数值为160 m；选取新建车站线路方向为y轴，数值为160 m；以重力方向为z轴，数值为150 m。计算模型网格划分如图7所示。

图7 计算模型网格划分(部分)

根据《重庆轨道交通十号线红土地站岩土工程详细勘察报告》确定洞周地层的物理力学参数，车站主体结构穿越岩层以砂质泥岩为主，局部砂岩夹层，围岩基本分级为Ⅳ级，属于软岩地层。

周家文等[11]根据Mohr-Coulomb模型和应变软化模型对中风化岩层的适应性进行了实验分析，得出应变软化模型更能反映中风化岩层力学特性。车站结构采用线弹性模型，相关参数取自表1。

表1 计算模型物理力学参数

4.2 数值模型的结果分析

图8为下穿既有结构仰拱竖向位移实测数据和数值计算拟合曲线，可得以下结论：

1) 现场实测和数值计算的结果基本吻合，地表沉降最大值均位于中间岩柱中心线上方；

2) 下穿既有结构仰拱竖向位移引起的地表沉降服从Peck曲线，数值计算竖向位移最大值为7.48 mm，满足隧道结构竖向位移不大于10 mm的要求；

轨道差异沉降为表征既有结构正常运营的关键指标，每个监测断面设置4个轨道差异沉降测点。轨道差异沉降的累计测量最大值为6.02 mm，满足风险评估提出的轨道差异沉降不大于7 mm的要求。

图8 现场实测和数值计算曲线对比

5 结论

1) 下穿段小净距隧道开挖引发的上覆既有结构竖向位移具有明显的阶段性，开挖上台阶和拆除临时支撑所占比例近60%。

2) 在小净距隧道施工过程中，左、右线隧道开挖引发的竖向位移产生叠加，拟合曲线符合双Peck曲线的变形规律。

3) 相对于天然泥岩条件下，下穿既有结构所得沉降槽宽度参数K值较小，主要是由于小净距隧道开挖引起的能量释放被既有车站结构扰动。

4) 深埋软岩小净距隧道地层损失率V1取值范围为0.108%～0.16%，主要是小近距隧道采用CRD法分步开挖，及时施作初期支护，故地层损失率V1整体数值不大。

5) 在施工过程中要注意控制拱部中空注浆锚杆的超前加固效果、临时中隔壁拆除时机和范围。

6) 现场实测和数值计算的结果基本吻合，所得数值满足隧道结构竖向位移不大于10 mm的要求。

[1] 张成平，张顶立，王梦恕.大断面隧道施工引起的上覆地铁隧道结构变形分析[J].岩土工程学报，2009，31(5)：805-810.

[2] 扈世民，王梦恕，张丽，等.基于变位分配法地铁车站变形规律研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(2)：266-272.

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[6] 刘波，陶龙光，丁城刚，等.地铁双隧道施工诱发地表沉降预测研究与应用[J].中国矿业大学学报，2006，35(3)：356-361.

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(编辑：郝京红)

Displacement Response of Deep-buried Tunnel with Small Clear Spacing in Soft Rock Strata to Existing Adjacent Metro Stations

Hu Shimin

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

The Hongtudi station in progress of Line 10, Chongqing Metro is taken as the project background, whose tunnel is a separate one with small clear spacing and passes close through the existing metro station. The displacement response of the existing metro station is performed by 3D numerical simulation and site measurement. The displacement response of the existing metro station accords with Double-Peck fitting curve, and the superposition of vertical displacement is produced by the double-tunnels' excavation. The up-step excavation and temporary support demolition is the key to displacement control. The energy released by the excavation of the small clear spacing tunnel is absorbed by the existing metro station. The parameter of the settlement trough width arising from the crossing of the tunnel is 0.924 times that of the natural strata and the value range of volume loss due to the crossing is 0.108%～0.16%. The up-step excavation can achieve the advanced strengthening effect by controlling the hollow grouting anchor for the arch, and the load-bearing arch is performed in a dose-dependent manner. The temporary support is demolished after invert construction, and the range of temporary support demolition is less than 6～7 m. The results show that the results of field measurement and numerical calculation are basically consistent.

urban rail transit; neighborhood tunnel; deep-buried; trough width parameter; volume loss; displacement response

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.018

2016-01-14

2016-01-28

扈世民，男，工学博士，工程师，主要从事地下结构和隧道方面的设计和研究工作，hsm3690@163.com

国家计划973项目(2010CB732102)

U231

A

1672-6073(2016)06-0087-06