大直径盾构近距离穿越既有地铁车站影响因素分析

缪敬慧 吴征然 缪敬智

1.北京地铁建筑设施维护有限公司 北京 100036；2.北京市人防工程监督站 北京 100036

本文依托工程某高铁段隧道盾构区间穿越既有M15车站所运用的盾构机是我国第一台国产大直径泥水盾构机，且其需穿越既有地铁车站的工程在北京市也尚属首次。因此，对其穿越地铁车站引起既有结构的沉降变形进行研究具有重要的意义。

1 盾构施工引起地面沉降的原因与机理

新建盾构隧道穿越既有地铁车站的施工作业，盾构隧道与原结构之间不可避免的会出现相互影响。既有地铁车站存在对新建盾构隧道下穿施工的影响主要包括以下几个方面[1]：

（2）既有地铁车站结构材料为高强度钢筋混凝土，其刚度远大于周围土体，将会对其周围一定范围内地层的应力场和位移场造成影响；

（3）在新建盾构隧道下穿施工过程中，既有地铁车站的存在一方面使地层的应力场和位移场不同于天然自由场地层，另一方面，地铁列车动荷载以及相应的震动效应均会对新建盾构隧道的施工开挖产生不利的影响。

为此，盾构下穿既有地铁隧道应满足以下要求：

（1）尽可能控制盾构下穿施工对周围地层的扰动，避免因地层变形引起既有地铁车站结构附加应力及变形过大，保证地铁车站结构安全；

（2）保证既有地铁车站结构整体沉降在控制标准范围内，并减少结构差异沉降，保证既有地铁车站的正常运营；

（3）下穿盾构机能够正常掘进，保证新建盾构隧道的安全施工。

2 工程概况

某隧道采用泥水平衡盾构，线路线间距为23m，隧道南北向近似正交穿越M15号线，两者平面交角约为88度，下穿段落隧道覆土厚度约为26.5m[1]。新建隧道结构顶与地铁车站结构的竖向最小距离约为9.86m；与地铁车站基坑围护桩设计桩底的竖向最小距离约为6.3m，与地铁车站基坑降水井设计井底的竖向距离最小约为0.96m。

高铁隧道管片外径10.5m，内径9.5m，管片环宽2m。隧道洞身所处地层主要为粘土、粉质粘土、粉土、砂性土。

面对高薪岗位，她仍坚守信仰；每天与钱物打交道，她仍坚守清贫；女儿身患重病，她仍坚守工作岗位……她是游成令，一名普通的食品药品基层监管人员，虽无惊天动地之举，却在自己的岗位上展现出责任担当与无私奉献。

3 数值模拟分析

3.1 有限元模型的建立

两隧道直径为10m，总长150m，轴线间距23m，埋深为20m，地铁车站在其上方10m处。模型整体尺寸为180m×150m×50m。采用10节点六面体单元离散土体，板单元模拟地铁车站、1号车站出口、2号风亭主体结构，同时盾构机外壳采用板单元模拟并考虑盾构机开挖时的地层损失率[2]。土层分布根据当地的勘测资料确定，土体采用M-C本构模型，并作如下假定：

（1）土体和隧道衬砌为均质、各向同性材料；

（2）土体为弹塑性材料，满足M-C弹塑性本构模型；

（3）隧道衬砌为刚度均一的圆环。

土体参数根据当地土质监测报告，取值如表1。

表2 车站结构及隧道衬砌参数Tab.2Stationstructureandtunnelliningparameters

有限元模型中的泥水压力及注浆压力设置为沿隧道内径环向施加，图2为模拟方式。为隧道的施工方式，先对左线隧道进行开挖，分10步进行；当左线隧道开挖完成后进行右线隧道的开挖，同样分10步进行。每步进尺为15m，约为实际施工一天的进尺[3]。

表1 土层参数及分布Tab.1Soilparametersanddistribution

本部分研究了隧道不同施工阶段的内力和位移状态，主要分为三个研究阶段：（1）隧道开挖30m处；（2）隧道开挖至车站正下方即模型中隧道开挖75m；（3）隧道全部施工完成。为了简化模型提高计算效率，接下来的模拟均未考虑地层加固[4]。

3.2 不同泥水压力对隧道位移的影响

图3为不同泥水压力下隧道的位移云图。从图中可以看出泥水压力的改变对隧道的总位移影响较大。当泥水压力从100kPa变为200kPa时，隧道的位移最大值从13.8mm变为11.25mm。当泥水压力增长为300kPa时，隧道的位移最大值为10.83mm。三个级别的泥水压力对应的水平位移分别是6.71mm、4.67mm、2.79mm。可见，泥水压力对隧道位移的有显著的影响。

拱顶位移的变化趋势大致相似，但数值受泥水压力影响较大。在100kPa泥水压力下，拱顶最初隆起仅0.56mm，且最终沉降为5mm；当泥水压力为300kPa时，拱顶最初隆起为1.44mm，最终沉降为4.2mm。由此可见，增大泥水压力可以有效地减小拱顶沉降。

地表在平行于开挖掌子面方向上沿左线隧道中心线、右线隧道中心线的沉降分布。当泥水压力为100kPa时，两线隧道中心线处地表沉降约为-1.1mm；当泥水压力为200kPa时，两线隧道的最大地表沉降减小到约-0.7mm；当泥水压力为300kPa时，两线隧道的最大地表沉降减小到约-0.2mm。可见，增大泥水压力可以有效的减小地表沉降。

3.3 地层损失率对开挖面及既有车站变形的影响分析

本节主要分析不同地层损失率下隧道衬砌的内力变化及对上方车站的相应影响。研究中地层损失率选取0.1、0.3、0.5三个级别。

图4为不同地层损失率下隧道的位移云图。从图中可以看出，地层损失率的改变对隧道的位移影响与内力相似。当地层损失率从0.1变为0.3时，隧道的位移最大值从11.25mm变为21.92mm。当地层损失率增长为0.5时，隧道的位移最大值为33.92mm。三个级别的地层损失率对应的水平位移分别是4.67mm、6.6mm、13.59mm。可见，地层损失率对隧道位移的影响十分显著。

车站下方的隧道拱顶处随着隧道开挖的进程而产生的位移变化。拱顶位移的变化趋势大致相似，但数值受地层损失率影响较大。三种不同底层损失率下，拱顶最初隆起相差不大，但地层损失率为0.1时，最终沉降为4.6mm，而地层损失率为0.3或者0.5时，拱顶沉降分别为12.1mm和18.5mm。同时，地层损失率越大，施工过程中拱顶位移的波动也越大。

图5为地表在平行于开挖掌子面方向上沿左线隧道中心线、右线隧道中心线的沉降分布。从图中可以看出，当地层损失率为0.1时，两线隧道中心线处地表沉降约为0.7mm；当地层损失率增大至0.3时，两线隧道的最大地表沉降增大到约-3.9mm；当地层损失率增大至0.5时，两线隧道的最大地表沉降增大到约-7mm。可见，地层损失率对地表沉降有十分显著的影响[2]。

4 结语和建议

本文结合隧道盾构施工的工程背景，采用有限元软件Plaxis3D对盾构近距离穿越既有地铁车站施工进行了数值模拟。主要完成了以下工作：

（1）以隧道内力、隧道位移、及地表和车站位移为主要指标，分析了泥水压力的改变对开挖面及既有车站的影响规律。结果表明车站的位移与盾构隧道近接程度密切相关，越靠近盾构隧道的部分沉降变形越大。

（2）泥水压力从100kPa增加到200kPa时增大泥水压力可有效降低车站结构沉降变形，超过200kPa时，影响效果不大。

（3）地层损失率的改变显著影响地表和既有车站的变形。当地层损失率分别为0.1、0.3和0.5时，车站位移分别为7.7mm、11.3mm和14.1mm，车站位移随着地层损失率的增大显著增大。

工程中控制隧道拱顶和地表及车站沉降变形可从设置合理泥水压力，降低地层损失率，调整注浆材料弹性模量、注浆压力、注浆量等方面进行控制。在实际工程中可采取以下措施进行控制[3]：

（1）在盾构机穿越地铁车站前，选择相似地层条件的地段设置试验段，确分析并掌握盾构掘进过程的影响范围，各施工参数如泥水压力、泥浆比重、盾构掘进扭矩、推力、掘进速度、注浆量等与控制地面沉降、地层变形的对应关系，总结合理的穿越施工参数。

（2）盾构机穿越车站前进行一次停机，对盾构机及其配套设备维修保养、更换刀盘刀具、检修泥水处理系统，避免盾构过程中发生停机检修。

（3）加强壁后注浆管理，选择固结后弹性模量大的注浆浆液填充壁后空隙，控制地层损失，降低地面及既有车站沉降变形。

（4）减小地面沉降，最主要的是控制刀盘仓泥水压力值和注浆压力及注浆量。泥水压力应比理论计算的静止水土压力之和多提高0.2bar，注浆压力一般大于同等埋深的泥水仓压力0.3-0.5bar，并随泥水仓压力的变化而变化，注浆量的一般控制在理论注浆量的1.8-2.2倍之间。

（5）加强工程实施过程的实时监测，通过VMT自动导向系统进行盾构机纠偏及掘进方向的控制，规定每环水平、垂直方向纠偏量，防止纠偏量过大造成地层扰动过大，导致既有车站结构沉降增大。