新建隧道“零距离”下穿既有地铁车站结构变形分析

吴昊天，武 科，张 文，王亚君，于雅琳，李光勇

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061;2.山东大学 土建与水利学院， 山东 济南 250061;3.山东贝特建筑科学研究院, 山东 济南 250061)

新建隧道“零距离”下穿既有地铁车站结构变形分析

吴昊天1，武 科2，张 文1，王亚君1，于雅琳2，李光勇3

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061;2.山东大学 土建与水利学院， 山东 济南 250061;3.山东贝特建筑科学研究院, 山东 济南 250061)

随地铁工程的迅速发展，下穿工程越发常见，如何预测和控制新建隧道下穿施工中对既有结构的影响，以保证既有机构的正常使用已成为设计者和科研人员的重要课题。结合深圳地铁7号线“零距离”下穿既有福民车站工程，通过数值模拟、监控分析等方法，研究下穿施工对车站既有结构的影响程度和范围。研究表明：下穿施工过程中，整体车站结构呈现轻微上浮的趋势，较大变形出现在隧道上方底板结构处及其两侧，与监测数据分析结果相符；车站楼板结构主应力主要以承受压应力为主，与隧道相接处承受最大主应力拉应力。通过数值模拟和监测对比分析，研究下穿施工影响规律，为类似工程提供参考和借鉴。

深圳地铁；下穿施工；下穿车站；数值模拟；监测分析

近年来，城市轨道交通工程发展迅速，城市地铁网络纵横交错越发完善，因而时常出现新建地铁隧道近接既有结构施工的情况，如何控制下穿施工过程中对既有结构带来的扰动，以保证其正常运营就成了地铁设计与科研人员面临的重要课题[1-5]。

近年来，隧道近接施工实例愈发常见，相关的理论研究与参考案例也更加完善[11-15]，但仍未形成完善体系，对于不同工程存在很大差别，难以准确预测施工中的可能变形。本文针对深圳地铁7号线“零距离”下穿既有福民地铁车站工程展开研究，其下穿隧道拱顶紧贴车站结构底板，较为特殊。

1 工程概况

深圳地铁7号线皇岗村—福民站区间隧道呈75°下穿既有4号线富民车站，下穿区间28 m，下穿隧道断面采用6.6 m×7.8 m方形断面；双线隧道间距8.9 m。福民车站为双层结构，筑有地下连续墙，侧壁与地连墙结构上相连，地连墙、侧壁厚度分别为0.8 m，0.4 m。皇福区间下穿既有地铁福民站段的平面如图1所示。

如图2所示，下穿段施工工序为：拆除7号线福民站端头洞口地连墙→①部注浆、开挖支护→拆除4号线福民站东端隧道地连墙→②部注浆、开挖支护→拆除4号线福民站西端隧道地连墙→③部注浆、开挖支护→分段二衬施工。下穿段地层超前加固双液浆，加固范围为隧道间及轮廓线外3 m，注浆段长6 m，每段开挖长度4 m，预留2 m止浆段。下穿段隧洞采用CRD四步暗挖法进行施工，右线全部二衬施工完成后，开始进行左线隧道的施工。CRD四步法每步间隔距离4 m，开挖初支完成后再进行二衬施工。

图1 下穿区间位置关系图

图2 下穿段施工步序示意图

2 数值模拟

拟通过FLAC3D数值软件进行三维模拟，为减小边界效应影响，模型大小取为280 m×200 m×60 m，根据实际工程资料，各层地层厚度为：5 m，5 m，6 m，14 m，20 m，文中暂不考虑地下水位影响。车站为双层结构，层高依次为4.6 m、5.9 m，顶板、一层底板、二层底板厚度分别为0.8 m、0.4 m、0.9 m，层间支撑截面为1.1 m×1.1 m立柱，通过Beam单元进行模拟，其余土体与车站均通过实体单元模拟，模型单元数11 972，节点数44 333。模型见图3。

2.1 数值计算方法

模拟中通过实体单元对车站结构、隧道结构、土体进行模拟。下穿隧道施工模拟通过生死单元进行。数值计算方法如下：

(1) 模型的上边界取为地表自由边界，前、后、左、右以及下边界上均施加法向约束。

(2) 为准确模拟下穿段施工实际状况，7号线下穿段之外隧道简化为已建成双线圆形隧道。隧道下穿段矩形隧道开挖采用分步开挖方式，开挖断面分为四个部分，进行全断面注浆加固后，依次开挖并使用型钢格栅作为临时支护，之后拆除临时支护施作二衬结构，待变形稳定后拆除中立柱支撑完成开挖。

图3 数值模型

(3) 隧道初期支护通过实体单元模拟，采用线弹性本构关系，二次衬砌采用壳单元模拟，设定方形隧道截面边缘外3 m为注浆加固区，如图4所示，由于车站结构大多为混凝土筑造，因而采用实体单元模拟。

2.2 计算参数

进行计算时，地层本构模型采用摩尔-库仑模型，根据当地工程实际经验弹性模量E取为压缩模量Es的两倍进行计算。

福民地铁车站结构各部位所使用材料见表1。

图4 数值模型剖面图表1 福民地铁车站结构材料表

土体采用Mohr-Coulomb本构模型，根据地质资料，地层分为5层，注浆加固区采用摩尔-库仑模型，具体参数参考类似工程赋予。地基及其他结构力学参数如表2所示。

表2 地层及其他结构力学参数表

施工顺序：隧道采用双向开挖，首先进行右线，待右线开挖后左线开始施工，右线首先由车站结构东侧向西侧开挖，再从对侧开挖至贯通，同时进行左线隧道施工，施工方向从两端向中间，详见表3。

2.3 计算结果分析

为了清楚说明车站站厅层板结构的变形过程，给出各施工阶段主体结构位移场分布云图，如图5所示。

表3 模拟施工步与工况对应情况

图5 车站结构竖向变形云图

由于下穿施工工序较多，车站结构变形过程较为复杂。最初开挖穿过车站东侧地连墙，此时车站底板沉降呈正态分布，双线隧道中线处沉降最大，约为0.53 mm，而后随开挖进行沉降主要发生在当前开挖隧道上方底板，沉降发育呈现先增大后减小的趋势，右线隧道开挖贯通后，隧道上方沉降值达到3.14 mm，之后随左线进一步开挖，底板变形有所缓和。

同时隧道开挖土体卸荷回弹致使隧道两侧土体产生隆起，隆起主要发育部位为土体上方底板与东西两侧地连墙相接处，隆起数值较大。下穿隧道施工的整个过程中隆起值发育较为缓慢，初始开挖时，底板与东侧地连墙相接处出现隆起，隆起量接近10 mm，而后随开挖进行，隆起值缓慢增长，隆起范围无明显变化，至右线隧道从西侧3序开挖，西侧地连墙处出现隆起，分布范围与增长趋势与东侧相似。

此外，各出入口处产生轻微沉降，沉降值最大值约为2.29 mm，且随隧道施工进行进一步减小，车站负二层底板结构其他位置主要以隆起为主，隆起量较小，低于警戒值5 mm，整体变形趋势为靠近楼板内侧处隆起值较大，靠近边缘处隆起值较小，车站结构呈现中部隆起边缘沉降的变形趋势。车站其余两层楼板结构变形趋势与底板相似，但数值较小，变形数值约为1 mm左右。

为研究施工过程对车站结构正常运营的影响，还应对车站主体结构的主应力分布规律进行分析。图6分别给出了既有福民站下穿隧道施工完成后各层楼板结构的最大、最小应力分布云图，单位为Pa。

图6 下穿施工完成后车站楼板主应力云图

隧道开挖完成后，各层楼板最大主应力在-0.59 MPa～4.64 MPa范围内，已经超过C35混凝土抗拉强度2.2 MPa，但超出幅度尚可，且受力超出的区域范围很小，主要考虑为应力集中所致。最大拉应力主要分布在双线隧道上方车站底板处，其中底板与侧壁交接部分所受拉应力要大于底板内侧，最大拉应力出现在双线隧道下穿段的四个边角上方。车站底板除下穿段对应部分外，其余部分所受拉应力不超过2.0 MPa，距离下穿段较远处结构受力以受压为主。对车站1层底板与车站顶板，最大拉应力出现在楼板东南侧与侧壁交接的边缘处，最大拉应力为2.61 MPa，其余楼板部分主要受压，满足受力要求。最小主应力方面，各层楼板最小主应力在-6.29 MPa～-0.057 MPa之间，整体结构承受压应力，无结构受拉，能够满足受力的要求，承受压应力最大的部位在车站顶板的中部。

3 现场监测数据分析

3.1 监测点布置

为保证施工安全，针对地铁福民站受下穿施工影响区域左右线SSK1+593—SSK1+673里程范围内监测，监测断面布置如图7所示，监测点位共布置在22个断面上，每个断面3个测点，分布在车站侧壁与轨道道床位置。

图7 监测断面图

3.2 监测数据分析

依据已有监测数据，进行结构变形分析。根据监测断面图8、图9可知，监测断面沿既有车站延伸方向布置，下穿右线隧道主要穿越L4、L5、R4、R5测点断面，下穿左线隧道主要穿越L7、L8、R7、R8测点断面，左右线隧道中部为L6、R6测点断面，其余测点位于隧道外侧。

(1) 7号线右线施工监测数据分析。右线开挖由东向西进行至地连墙处，再从对向开挖，因此首先对测点L4—L5与R4—R5进行分析，其高程累计变化曲线如图8所示，图8(a)为R4、R5测点监测数据，主要反映了右线隧道上方车站结构高程变化情况，测点出车站结构自1月开始发生隆起，总体变化趋势较为相似，随开挖进行隆起有所降低，其中R5-1、R4-1两个测点处结构高程相对较低。

图8(b)为L4—L5监测点高程变化情况，其数值显著变化发生在2月份左右，滞后R4—R5监测点1个月左右，这与由东向西的施工顺序是相符的。L4—L5测点中，拱腰处测点L4-1、L5-1，3月—4月期间沉降变形发育速度呈现显著上涨趋势，最大变形值超过-13 mm。其他监测断面上的测点则表现出较大隆起趋势。

(2) 7号线左线施工监测数据分析。下穿段左线施工在右线由东向西施工至地连墙处开始，其顺序为从两端向中间开挖。图9为下穿段左线高程累计变化曲线，R7—R8各测点于1月份开始产生一定隆起，2月份之后测点开始产生下沉，此时左线开始施工，右线隧道由东向西开挖至地连墙；2月左线开挖至地连墙相近位置，此时L7与L8测点产生下沉。4月份开始，左线上方L7、L8、R7、R8测点处开始显著隆起，变形数值达13 mm，发育较快。之后东西向施工继续进行，因与L7、L8距离较远，测点位置产生轻微抬升，变形值约为5 mm。

通过对比图7与图8(b)曲线图可知，5月—7月份L侧测点变化趋势较为近似，其中左线隧道上方测点变化曲线更为明显，考虑到施工进度及5月份前L侧测点变化曲线，分析认为这一趋势变化主要受左线隧道施工影响，影响程度与测点至掌子面距离负相关。

图8 右线上方测点高程变化

图9 左线上方测点高程变化

4 结 论

(1) 针对近接隧道下穿既有车站工程，采用数值模拟分析近接施工对既有隧道结构的影响量及范围是有效且必要的。

(2) 在隧道下穿既有车站的施工过程中，由于土体损失等原因，隧道上方对应底板位置产生轻微沉降，且沉降范围随开挖延伸，沉降数值较小，发育平缓。同时由于开挖卸荷，隧道上方两侧土体产生较大隆起，反应至车站底板，隆起主要集中于底板与两侧地连墙相接处，隆起值较大，超过警戒值。

(3) 下穿施工完成后，车站结构主应力主要以受压为主，双线隧道上方部分底板结构最大主应力承受拉应力，数值较大，但影响范围较小，考虑为应力集中所致。

(4) 监测数据分析表明，隧道上方位置底板位置附近，随施工进行出现较大隆起，且隆起发生于该断面施工时期，模拟结论与监测数据分析结果相符。

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Deformation Analysis of Existing Subway Station Influenced by Newly-built Tunnel Passing Underneath it in “Zero Distance”

WU Haotian1, WU Ke2, ZHANG Wen1, WANG Yajun1, YU Yalin2, LI Guangyong3

(1.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchInstitute,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250061,China;2.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250061,China;3.ShandongBeiteResearchInstituteofBuildingScience,Jinan,Shandong250061,China)

Along with the rapid development of subway projects, underpass projects are increasing rapidly, therefore how to forecast and control the influence of underpass projects to existing structures and ensure there operation have become an important issue. Based on the project of Shenzhen Metro 7th line passing underneath the existing Fumin station in “zero distance”, this paper analyzed the influence degree and scope of underpass project to existing structure through numerical simulation and monitoring analysis methods. The results show that the whole station structure emerges slightly raised trend, while large deformation occurs on floor which is above the newly-built tunnel, and the monitoring data shows the same thing. The station structure mainly bear compression stress, while the portion that connect with tunnel bear tension of major principal stress. It is effective to forecast the influence of tunnel construction through comparison analysis of numerical simulation and monitoring data which could provide reference for similar projects.

Shenzhen subway; underpass project; subway station; numerical simulation; monitoring analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.029

2016-12-13

2017-02-07

吴昊天(1990—)，男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为隧道工程。E-mail:wht0531@foxmail.com

U

A

1672—1144(2017)02—0151—06