地下检票厅开挖对既有地铁换乘通道稳定性影响研究

雒焕磊

（中铁十八局市政工程有限公司，天津 300222）

1 引言

地下工程的开挖会破坏周围岩体的应力平衡状态，此时岩体在工程扰动的影响下产生附加位移，进而影响周边既有结构的稳定性，因此研究地下工程施工对既有结构的影响对工程安全具有重大意义。近年来，众多学者为分析地下工程开挖对既有结构稳定性的影响提供了宝贵经验，杨建烽[1]通过对既有结构的监测分析确定了既有结构在隧道下穿过程中变形与施工控制方法的关系；扈世民[2]通过现场检测与数值模拟相结合，指出既有结构的竖向位移响应符合双Peck拟合曲线；侯艳娟[3]明确了新建隧道-岩土体-既有结构之间的动态相互作用关系，建立了以变形控制为核心的工程安全风险控制体系；白海卫[4]采用两阶段法研究并预测了不同因素对既有结构力学响应的影响；彭丽云[5]利用FLAC3D软件进行了数值模拟，指出隧道开挖的不同阶段对既有地铁隧道结构的位移产生相互影响；王旭声[6]、温克兵[7]、耿俊岩[8]、张涛[9]、刘建美[10]、黄昌富[11]、杨修[12]、张毫毫[16]分别利用不同的计算分析软件对隧道开挖后周边既有结构的位移进行分析。本文以北京地铁4号线宣武门车站换乘通道为研究对象，分析地下检票厅开挖过程中，换乘通道的力学响应并评价其稳定性，为工程施工提供指导。

2 工程概况

地下检票厅为单层双跨拱顶直墙断面结构，开挖宽度为14.9 m，开挖长度约32.1 m。采用暗挖中洞法进行施工，检票厅顶板覆土6.7 m，底板埋深11.9 m，场地类别为Ⅱ类。检票厅二衬结构顶拱0.5 m，底板0.5 m，边墙0.5 m，采用C50混凝土[14]。换乘通道为单跨拱顶直墙断面结构，净宽5.5 m，净高7 m，顶板上覆岩体厚度3.7 m。与检票厅水平间距1.8 m。其横截面剖面如图1 所示。

3 数值模拟计算

3.1 地层及材料参数

根据地质资料，工程场地的地层可分为粉土填土、黏质粉土、粉细砂、细中砂、砂质粉土、卵石圆砾。各地层物理力学性质及地层厚度如表1所示。洞壁周边采用混凝土喷浆衬砌支护，衬砌混凝土强度等级为C40，衬砌厚度为0.5 m。

图1 检票厅与换乘通道位置关系（单位：m）

表1 地层岩土性质

3.2 计算模型

计算模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，模型水平计算长度100 m，竖向计算长度60 m，检票厅顶板结构上覆土层厚 6.7 m，距模型左侧边界 40 m，厅净高 5.2 m，净宽14.9 m。检票厅中柱宽1 m，将其分为2个洞室，分别宽 6.95 m。换乘通道净宽 5.5 m，净高 7 m，顶板上覆岩体厚度3.7 m，与检票厅水平间距1.8 m。模型边界条件包括约束两侧边界的水平方向位移，约束底部边界竖直和水平方向位移，地表为自由边界。计算模型如图2所示。

3.3 计算步骤

检票厅开挖模拟计算时，删除目标区域块体，迭代计算至应力平衡后清除历史位移；先开挖检票厅左侧洞室，后开挖右侧洞室；洞室断面采用一次开挖法，分析换乘通道在检票厅开挖后的力学响应。

3.4 计算结果分析

3.4.1 开挖位移

检票厅左侧洞室开挖后洞室周边岩体位移云图如图3所示。

（1）由图3a可知，检票厅左侧洞室开挖对换乘通道位移影响极小，位移约0.2～0.8 mm，其位移以左侧洞室为中心成对称分布；最大水平位移位于左侧洞室上部自由地表及结构底板下部岩体，约0.8 mm。

（2）由图3b可知，检票厅左侧洞室开挖后竖向位移主要集中在左侧洞室结构顶板上部土层，以左侧洞室为中心成对称分布；土体扰动范围未覆盖至换乘通道周边土体，换乘通道几乎未受左侧洞室开挖影响；最大竖向位移约3 mm，位于左侧洞室上部结构顶板。

检票厅右侧洞室开挖后洞室周边岩体位移云图如图4 所示。

（1）由图4a可知，检票厅右侧洞室开挖后水平位移主要集中在检票厅结构顶板上部土层，以检票厅中柱为基准点近似呈对称分布；换乘通道与检票厅之间的土体变形导致换乘通道左侧洞壁产生不同程度的变形，位移指向开挖区方向，即洞壁产生一定程度的凹陷；开挖后检票厅周边岩体最大水平位移集中在检票厅顶板上部地表周边岩体，约2 mm。

（2）由图4b可知，检票厅右侧洞室开挖后竖向位移主要集中在检票厅结构顶板上部土层，以检票厅中心为基准向两侧逐渐减小；换乘通道受检票厅开挖影响，顶板处产生一定程度的竖向位移，结构底板产生轻微的隆起；开挖后检票厅周围岩体最大位移约5 mm，位于检票厅右侧洞室顶板处。

图2 计算模型

图3 检票厅左侧洞室开挖位移云图（单位：mm）

图4 检票厅右侧洞室开挖位移云图（单位：mm）

3.4.2 换乘通道控制点位移分析

根据位移云图的分析，将换乘通道洞壁中心水平位移、底板中心竖向位移和顶板中心竖向位移作为位移控制点，研究其在检票厅开挖过程中的位移变化。检票厅左侧洞室开挖后换乘通道各控制点的位移曲线如图5所示。

（1）由图5a可知，换乘通道洞壁中心水平位移在检票厅左侧洞室开挖后先增大后减小，随后反向增长并达到稳定，其方向由指向检票厅的方向逐渐改变为背离检票厅的方向，开挖稳定后换乘通道洞壁中心最大水平位移约0.01 mm。

（2）由图5b可知，换乘通道顶板中心竖向位移在检票厅左侧洞室开挖后逐渐增加并趋于稳定，开挖稳定后换层通道顶板中心最大竖向位移约0.69 mm。

（3）由图5c可知，换乘通道底板中心竖向位移在检票厅左侧洞室开挖后逐渐增加，最后趋于稳定，其在变化过程中的最大值达到0.11 mm。

检票厅右侧洞室开挖后换乘通道各控制点的位移曲线如图6所示。

（1）由图6a可知，换乘通道洞壁中心水平位移在检票厅开挖后1.5 h内出现显著增加，随后缓慢增加并逐步稳定，检票厅开挖稳定后换乘通道洞壁中心最大水平位移约1.9 mm。

（2）由图6b可知，换乘通道顶板中心竖向位移在检票厅开挖后运行1.5 h时步内显著增加，随后增加速度减缓并趋于稳定，检票厅开挖稳定后换乘通道顶板中心最大竖向位移约7.2 mm。

图5 检票厅左侧洞室开挖换乘通道控制点位移曲线

图6 检票厅右侧洞室开挖换乘通道控制点位移曲线

（3）由图6c可知，换乘通道底板中心竖向位移在检票厅开挖后运行1.5 h内显著增加，随后数值逐渐减小，最后趋于稳定。其在变化过程中的最大值达到3.3 mm，变形稳定后位移为 2.1 mm。

根据DB11/1067-2014《城市轨道交通土建工程设计安全风险评估规范》[15]，新增暗挖检票厅周边既有工程的风险等级为二级，其位移控制标准为结构最大沉降量≤20 mm，最大水平位移≤5 mm，差异沉降≤4 mm。由图4～图6可知，其位移控制点的最大位移均位于二级风险工程位移控制标准之内，换乘通道稳定性良好。

4 结论

（1）检票厅开挖后，其水平位移与竖向位移都近似以检票厅为中心成对称分布，仅右侧洞室周围位移在换乘通道的影响下产生一定的偏转。

（2）地下检票厅工程对周边既有换乘通道的稳定性有一定的影响，检票厅开挖使换乘通道结构产生附加变形。在检票厅左右洞室开挖过程中，左侧洞室对换乘通道的影响远小于右侧洞室，开挖后岩体的扰动影响范围较小。

（3）检票厅开挖过程中，换乘通道洞壁中心最大水平位移为1.9 mm，顶板中心最大竖向位移为7.2 mm，底板中心最大竖向位移为3.3 mm，均满足二级风险工程位移控制标准。

（4）在地下开挖施工过程中及时对周边土体进行注浆加固，可有效减少开挖对周边既有结构稳定性的影响。