新建隧洞垂直下穿既有地铁结构引起的沉降分析

黄昌富，田书广，王艳辉，李建旺(.北京科技大学土木与环境工程学院，北京　0008;.中铁十六局集团有限公司，北京　0008;.北京交通大学交通运输学院，北京　00044)



新建隧洞垂直下穿既有地铁结构引起的沉降分析

黄昌富1，2，田书广1，王艳辉3，李建旺2
(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;2.中铁十六局集团有限公司，北京100018;3.北京交通大学交通运输学院，北京100044)

摘要:以新建污水隧洞下穿北京地铁2号线工程为背景，建立三维数值模型研究列车荷载、不同开挖顺序对既有结构沉降的影响以及不同埋深与最大沉降的关系。结果表明:考虑列车荷载后隧洞开挖引起的地铁结构最大沉降1.62 mm，大于不考虑列车荷载引起的最大沉降0.54 mm;先开挖中洞引起的沉降小于先开挖侧洞引起的沉降;各点的最大沉降值与埋深近似符合对数函数关系。最后将现场监测数据与数值计算结果进行了对比，两者沉降规律、变形特点及沉降值基本一致，验证了数值模拟预测的合理性。关键词:既有地铁近距离开挖隧洞数值模拟现场监测沉降

在隧道(洞)下穿工程中，尤其是下穿既有路面与地铁结构时，保证既有线的正常运营是工程施工的出发点和基本目标，对既有路面与地铁结构的影响达到最小是工程施工的最优目标。目前不少学者已经对新建隧道(洞)穿越既有结构引起的应力和应变规律作了大量研究。在上述研究的基础上，本文将研究列车荷载、不同开挖顺序对既有结构沉降的影响以及不同埋深与最大沉降的关系，从而采取有效施工措施保证新建隧洞的安全穿越。

新建污水隧洞(图1)位于崇文门路口东北方、北京市第一二五中学东侧，呈西北—东北走向，与北京站西街和地铁2号线以90°夹角相交，同时下穿热力、照明、雨水、电信、照明等管线10条。

图1　新建污水隧洞示意

由于新建污水隧洞下穿北京站西街、地铁2号线、10条管线，为保证既有线的安全与正常运营，研究新建污水隧洞施工下穿既有结构物的开挖效应，提出保证既有线运营安全的施工技术与变形控制措施具有十分重要的意义，也将为类似下穿工程的设计和施工提供参考。

1　工程概况

该新建污水隧洞从地铁结构相邻两变形缝间穿过，总长38.309 m。其中，下穿地铁段以平坡紧贴地铁结构通过，长21.738 m;两边斜坡段长度分别为7.805 m和8.766 m，坡度均为41.42%。隧洞采用浅埋暗挖法施工，平顶直墙断面。平坡段及北侧斜坡段初支横断面分为3个2.2 m×1.9 m洞室。南侧斜坡段要给地铁下方土体超前注浆加固提供操作空间，两侧洞净宽增加至3.2 m，中洞净宽保持2.2 m不变;净高则由1.9 m渐变为3.5 m。隧洞每个洞室分别安装1根DN1000 mm钢筋混凝土管道。3根管道中的2根为正常使用，另1根管道为备用。管道安装完毕后，用钢筋混凝土将管周隧洞填充密实。隧洞北侧起点处设置进水井，井的平面净空尺寸为8.0 m×4.5 m;南侧终点处设置出水井，井的平面净空尺寸为10.0 m×4.5 m，进出水井兼作施工竖井。

2　既有线区间隧道结构沉降控制标准

由于新建污水隧洞与既有线区间隧道结构底板之间为刚性接触，如果施工中产生不均匀沉降有可能会危及结构及行车安全。结构的不均匀沉降主要会造成轨面下沉、结构裂缝开展、轨道三角坑等病害，因此对地铁结构沉降的控制标准设定为:

1)结构变形≤2.5 mm，若变形缝两端出现差异沉降则差异沉降≤2 mm。

2)轨面下沉≤2.5 mm，单线双股轨道轨顶高差≤2 mm。

3)轨道结构纵向变形坡率≤1/2 500。

3　数值计算

3.1计算参数及模型构建

依据地层与既有地铁结构实际情况，运用MIDAS/GTS有限元软件建立三维模型。在有限元计算中，应尽量减少有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，尽量使边界条件和实际情况相符，使分析的重点区域处于模型的中央部位，以减小边界效应。考虑上述因素后，模型选取为地表往下32 m，垂直路面方向取110 m，沿路面方向取100 m，选择德鲁克—普拉格(Drucker-Prager)准则进行计算。计算参数见表1，三维实体与网格模型见图2。

表1　计算参数

图2　三维实体与网格模型

3.2结果与分析

3.2.1列车荷载对沉降的影响

由于新建污水隧洞垂直下穿既有地铁2号线，因此分别模拟考虑列车荷载和不考虑列车荷载两种情况下隧洞开挖对路面沉降的影响。

垂直路面测点沉降曲线见图3。可以看出，新建隧洞开挖引起的路面沉降值由小到大分别对应中洞开挖、左洞开挖和右洞开挖，这与实际开挖顺序是一致的。同时对于每一工况，开挖引起的路面沉降值靠近两侧竖井的要大于远离竖井的，而且隧洞开挖对进水井的影响小于对出水井的影响。当不考虑列车荷载时，垂直路面测点最大沉降值为0.25 mm;考虑列车荷载后沉降规律与未考虑列车荷载时一致，但沉降值均大于未考虑列车荷载时，最大沉降值为1.25 mm，但都未超过沉降控制标准值。

图3　垂直路面测点沉降曲线

路面中线测点沉降曲线见图4。可以看出，对于路面中线测点，随着隧洞开挖工序的进行路面沉降值逐渐增大，右洞开挖完成后沉降值达到最大。由于路面中线垂直新建隧洞，因此靠近新建隧洞位置沉降值最大，向道路两侧逐渐变小，不考虑列车荷载时最大值为0.17 mm，考虑列车荷载后沉降值均大于未考虑列车荷载时，最大值增大到0.85 mm，但均小于沉降控制标准值。

图4　路面中线测点沉降曲线

地铁中线测点沉降曲线见图5。可以看出，对于地铁结构中线测点，其沉降值大于路面中线测点的沉降值。这是由于地铁结构更靠近新建隧洞，但沉降规律和路面沉降规律相同。不考虑列车荷载时地铁结构最大沉降值为0.54 mm，考虑列车荷载后沉降值均大于未考虑列车荷载时，最大值增大到1.62 mm，但都满足沉降控制要求。

图5　地铁中线测点沉降曲线

3.2.2开挖顺序对沉降的影响

由于新建隧洞横断面为3个2.2 m×1.9 m洞室，因此在开挖的过程中应选择合理的开挖方式，将对地层沉降及既有结构的影响降到最低。本文对以下两种开挖顺序进行数值模拟:①先开挖中洞，再开挖左右洞;②先开挖一侧的边洞，再开挖中洞，然后再开挖另一侧的边洞。模拟结果见图6。

图6　不同开挖顺序时各测点的最大沉降值

由图6可以看出:先开挖中洞引起的最大沉降值均小于先开挖侧洞引起的最大沉降值;先开挖中洞引起的最大沉降值为0.54 mm，而先开挖侧洞引起的最大沉降值为0.82 mm;不论采取哪种开挖方式，引起的沉降值均是路面中线测点最大沉降值最小，地铁中线测点最大沉降值最大，垂直路面测点最大沉降值界于二者之间。这是因为地铁结构测点距新建隧洞最近，而路面中线测点距新建隧洞最远。

3.2.3新建隧洞开挖对不同埋深处最大沉降的影响

新建隧洞平坡段最大埋深为10.2 m。本文选取平坡段隧洞开挖5 m后垂直新建隧洞的横断面为数值分析断面，选取新建隧洞正上方不同埋深处沉降最大的5个监测点作为研究对象。不同埋深处最大沉降拟合曲线见图7。

图7　不同埋深处最大沉降拟合曲线

由图7可以看出，各点的最大沉降值与埋深近似呈对数函数分布，可表示为S =－0.167－0.245lnz。其中:S为对应各监测点的最大沉降值，mm;z为监测点埋深，m。z小于新建隧洞顶部结构最大埋深。这将为预测本工程任意深度处最大沉降值及类似工程沉降提供一定的理论依据。

4　沉降监测

将新建隧洞各工况的实测数据进行整理，与数值计算值对比于图8。

图8　各工况数值模拟值与实测值对比

由图8可以看出，不论是垂直路面测点还是路面中线测点其在不同工况下数值模拟计算沉降值与实测值都比较接近。对于垂直路面测点其数值计算最大沉降值为0.25 mm，实测最大沉降值为0.30 mm，而路面中线测点数值计算最大沉降值为0.17 mm，实测最大沉降值为0.19 mm。同时曲线的发展规律、变形特点也是一致的，说明用数值模拟方法预测沉降值是可行的。

5　结论

1)构建了新建污水隧洞下穿既有结构的三维有限元数值模型，对不同工况开挖引起的沉降规律进行了对比分析，得出的沉降规律基本一致，与实际情况相符。

2)研究列车荷载、不同开挖顺序对既有结构沉降的影响以及不同埋深与最大沉降的关系。得到:考虑列车荷载后产生的最大沉降(1.62 mm)大于不考虑列车荷载产生的最大沉降(0.54 mm);先开挖中洞产生的沉降小于先开挖侧洞产生的沉降;埋深与最大沉降值的关系近似符合对数函数关系，即S =－0.167－0.245lnz。

3)数值模拟计算的沉降值与实测值比较接近且沉降规律、变形特点具有一致性，说明采用数值模拟方法预测隧洞开挖沉降是可行的。

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(责任审编葛全红)

Analysis of Settlement of Existing Metro Structure Induced by Newly Driving Tunnel under Orthogonally Passing

HUANG Changfu1，2，TIAN Shuguang1，WANG Yanhui3，LI Jianwang2

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China;3.School of Traffic and Transportation，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Abstract:A new sewage tunnel project under line 2 of Beijing metro was studied in this paper.A three-dimensional numerical model was built to analyze the effect of train loads and excavation sequence on settlement of existing subway structure and the relationship between embedment depth and maximum settlement.T he maximum settlement due to the tunnel excavation is 1.62 mm with consideration of train loads，greater than 0.54 mm settlement without consideration of train loads.W hen the middle tunnel hole was excavated as the first hole，the settlement was less than that when the side hole was excavated.T he maximum settlement is logarithmic to the embedment depth.By comparison of in-situ monitoring data and calculation results，the characteristics of settlement and displacement are close，validating the prediction of numerical simulation.

Key words:Existing metro;Close range;T unnel Excavation;Numerical simulation;In-situ monitoring;Settlement

作者简介:黄昌富(1971—)，男，教授，博士。

收稿日期:2015-10-10;修回日期:2015-12-18

文章编号:1003-1995(2016)03-0092-05

中图分类号:TU94+1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.23