地铁下穿施工工法对既有车站变形控制优化研究

摘 要：随着我国城市蓬勃迅猛的发展，城市地下线路的网络建设是不可避免的[1]。网络建设将导致新线路和以往线路的交叉，隧道施工下穿既有构筑物案例不断出现。为了研究新建区间隧道下穿既有地铁车站的地层变形规律与控制方法，本文依托深圳地铁7号线区间隧道下穿既有4号线福民车站实际工程，基于FLAC3D三维有限差分软件，建立三维有限差分模型。根据实际施工条件和地质参数，对地铁下穿既有车站工况进行模拟，探究车站变形规律。研究表明：隧道具体开挖方式对车站结构变形有较大影响，全断面法与台阶法施工产生沉降明显大于CRD法，同时全断面法沉降发育过于集中，为了便于施工变形控制，应尽量选用CRD法施工。

关键词：地铁车站;下穿施工;开挖方法;变形优化;数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.064

1 引言

随着我国城市蓬勃迅猛的发展，城市地下线路的网络建设是不可避免的[1]。网络建设将导致新线路和以往线路的交叉，隧道施工下穿既有构筑物案例不断出现。为了防止地铁施工使既有构筑物沉降过大从而导致坍塌的事故发生，同时也为了施工安全，研究地铁下穿施工工法变形优化就非常有意义[2]。经过多年的研究和积累，国内外学者隧道施工对既有地下结构变形的影响、分析和经验预测方法有了长足的进步，预测实际工程问题可以达到相对简单和准确。但是在实际工程运用中还是存在一些问题：例如，对结构变形有重要影响的因素，如混凝土施工方法、辅助施工方法、实际土层分层等，分析方法难以考虑。这些方面是数值模拟方法的优点，因此可以运用大型数值模拟软件FLAC3D，来研究在不同的地铁施工工况下下穿既有车站的变形规律。

2 工程概述

深圳地铁7号线7304-2标皇岗村～福民区间全长392.499m，右线全长396.077m。皇～福区间隧洞零距离下穿既有4号线福民站，下穿段右线长28.059m，左线长28.877m，断面形式为矩形，宽6.6m，高7.885m;左右线隧道平行布置，净距为8.9m;隧道轴线与既有4号线福民站轴线呈75度夹角。

3 数值计算模型与分析方法

3.1 数值计算模型建立

本文利用大型数值模拟软件Flac3D，依据深圳地铁7号线下穿富民车站实际工况，建立一个和实际工况接近的三维数值模型。在实际工况下，车站全长216.1m，下穿区间宽度为28.8m，综合考虑边界影响效应和简化建模，模型的尺寸为126*28.8*50m。数值模型如图所示1。

3.2 力学参数

3.3 边界约束

对模型施加的约束条件，在x、y和z轴方向都施加各自的法向约束，模型，模型上边界不施加约束，为自由面。

4 数值计算结果分析

表2是测点沉降统计情况进行对比分析，表中的数据内容为5个施工过程的时间节点处车站底板的沉降占最终沉降的比例。

对比CRD法和台阶法，如表2所示为其施工工艺下车站底板沉降发育曲线图。可以看出，其车站底板沉降发育曲线趋势比较接近，但是沉降数值有所不同。当右线即将通过测点断面时，CRD法和台阶法的沉降变形都不明显，不同的是CRD法右线中点沉降8.7%，向下略微沉降，但是台阶法右线中点沉降-0.8%，略微隆起;但CRD法左线中点沉降-11.1%，台阶法左线中点沉降-8.2%，都发生隆起现象，但是沉降比例略微不同，数值也不同。说明在左线隧道未施工时，右线隧道施工使左线隧道发生隆起，在施工中应该注意该现象并施加相应的防护措施。当右线通过测点后，CRD法和台阶法右线中点沉降比例都为50%左右，但对于左线中点沉降比例，CRD法是8.9%，台阶法是22.2%，台阶法沉降比例比较大。说明左线施工未施工时，右线隧道施工后使左线隧道发生大幅度沉降，并且台阶法的沉降比例比CRD法大。当施工步骤进行到左线即将通过测点时，CRD法右线中点沉降比例从50.3%增加到60.8%，台阶法右线中点沉降从49.3%增加到51.5%;CRD法左线中点沉降比例从8.9%增加到21.1%，台阶法右线中点沉降从21.6%增加到28.1%，变化不太明显，但是CRD法略大于台阶法。当左线通过测点时，CRD法和台阶法都发生大幅度的沉降，沉降比例都达到90%左右。可以看出，CRD法在控制沉降方面优于台阶法。

对比CRD法和全断面法，其发育曲线和发育规律有较大的不同，具体的不同体现在：从表2中可以看出，在右线即将通过测点断面时，CRD法和全断面法没有差别;当右线通过测点后，右线中点的沉降比例都是增加到50%左右，但是左线中点的沉降比例不同，CRD法从-11.1%增加到8.9%，全断面法从-13.1%增加到20.1%，说明台阶法施工时，左线未施工时，右线施工对左线的影响更大。在左线通过测点后，台阶法施工仍然使左右线中点发生先在沉降，并且说明台阶法在右线穿越断面后续施工仍造成测线沉降显著发育，尤其当双线贯通后沉降明显增加，说明左右线隧道开挖存在较强的相互影响关系。可以看出，CRD法在控制沉降方面优于全断面法。

综上所述，CRD法应该尽可能使用。

5 结论

本文利用大型数值Flac3D软件建立了深圳地铁7号线下穿富民车站三维数值模型，并根据实际工况对下穿施工中所采用的工法进行了模拟，研究其对既有车站变形规律的影响，有以下结论。

对于沉降发育曲线和发育规律，CRD法与台阶法的最终沉降云图变化趋势相似，测点沉降主要发生在左右线隧道穿越测点断面时，左右线开挖互相有影响，但是台阶法的沉降量比较大。全断面法施工沉降分布规律略有不同，其车站沉降发生在隧道通过测点断面过程中以及通过后，左右线隧道开挖存在较强的相互影响关系。综上所述，在地铁施工中应该尽量选取CRD法。

参考文献：

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作者简介：周石喜（1974-），男，湖南邵東人，硕士，工程师，主要研究方向：地下结构。