大直径盾构隧道与临近地铁车站的交互影响研究

摘要：为了解决盾构隧道穿越地铁车站施工过程中隧道及既有车站变形的问题，结合现场监测结果，采用PLAXIS3D有限元软件对某大直径盾构隧道穿越临近既有地铁车站的施工过程进行数值模拟分析，研究了大直径盾构隧道与临近地铁车站的相互影响，探索了注浆压力、掌子面压力下隧道及既有车站的结构变形规律。研究结果表明：1）当注浆压力在70%～90%上覆土层重力范围内时，提升注浆压力能显著控制隧道和既有车站变形;2）当掌子面压力小于1.5倍掌子面侧向静止土压力时，隧道拱顶沉降随掌子面压力呈线性增大，反之，隧道拱顶沉降则加速增大;3）在盾构隧道施工过程中，盾构隧道和既有车站均有较为显著的变形，且主要影响1.5倍直径范围内的区域。研究结果可为新建隧道开挖对地下既有管道和结构物的影响研究和施工提供参考。

关键词：地下工程;大直径盾构隧道;既有车站;PLAXIS3D;变形规律

中图分类号：TP29文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04005

Study on interactions between large diameter shield tunnel

and adjacent subway station

WANG Tuoxin

（Infrastructure Construction Department， Xi′an Polytechnic University， Xi′an， Shaanxi710048， China）

Abstract：In order to solve the deformation problem of the tunnel and the existing subway stations when the shield tunnel passing through the subway station in construction， combining with the field monitoring results， PLAXIS3D finite element software was used to simulate the construction process of a large diameter shield tunnel passing through the adjacent existing subway station， and the interaction between the large diameter shield tunnel and the adjacent subway station was studied. The structural deformation law of tunnel and existing station under grouting pressure and face pressure was explored. The results show that： 1） when the grouting pressure is in the range of 70%～90% of the gravity of the overlying soil， the deformation of the tunnel and the existing station can be significantly controlled by increasing the grouting pressure; 2） when the tunnel face pressure is less than 1.5 times of the lateral static earth pressure， the tunnel vault settlement increases linearly with the tunnel face pressure， on the contrary， the tunnel vault settlement increases rapidly; 3） in the process of shield tunnel construction， the shield tunnel and the existing station have significant deformation， and mainly affect the area within 1.5 times of the diameter. The research results can provide reference value for the research and construction of the influence of new tunnel excavation on existing underground pipelines and structures.

Keywords：underground engineering; large diameter shield tunnel; existing station; PLAXIS3D; deformation law

新建地鐵隧道和既有构/建筑物在特定的空间位置产生的立体交叉使得穿越工程越来越多，对新建隧道的设计、施工技术及既有线的变形控制技术提出了新挑战。针对盾构隧道穿越既有构/建筑物的研究方法主要有理论分析法、数值模拟法、室内模型试验法以及现场测法等[1-4]。KLAR等[5]通过地基模型对新建隧道开挖对其上覆既有管道的影响进行研究，但未充分考虑地层变形的连续性，导致研究结论在理论上存在一定缺陷;VORSTER等[6]基于经典的弹性均质半空间理论，分析了新建隧道开挖对地下既有管道和结构物的影响;阳军生等[7-9]创建了概率积分预计法，对浅埋隧道开挖支护引起的地表移动和变形进行预测，推动了随机介质理论从理论到应用的发展;VUM等[10]利用现有的有限元计算程序分析盾构隧道开挖对既有管线的影响，提出了开挖面地层损失的计算方法;贾瑞华等[11]通过对隧道开挖进行模拟并结合现场实测数据，分析了地铁隧道开挖施工对电缆隧道的影响;MROUEH等[12]建立了三维数值模型，分析了软土隧道开挖对地面建筑的影响。指出隧道开挖引起的应力大小取决于邻近建筑物是否存在，建筑物自重对隧道开挖引起的应力有很大影响;王非等[13]基于适用于三维隧道分析的弹塑性土体本构模型，利用数值分析方法研究注浆压力和掌子面推力变化对盾构隧道施工沉降的影响规律，提出了考虑施工因素对隧道沉降变形影响的计算方法;刘镇等[14]、房明等[15]通过数值模拟的计算方法研究了围岩地质条件、埋深、间距以及顶推力等因素对地层及既有隧道结构变形的影响规律;刘招伟等[16]通过对广州地铁二号线某区间隧道施工过程进行现场监测，将监测结果与有限元计算结果进行对比分析，得出了盾构法施工引起的地表沉降规律。目前针对大直径盾构隧道穿越既有地铁车站的相关研究较少。笔者结合某大直径盾构隧道穿越既有地铁车站的工程背景，建立三维数值模型进行模拟，研究了注浆压力和掌子面压力对隧道结构及既有车站的影响。同时通过对现场监测结果的分析，总结盾构隧道施工过程中隧道及既有车站的变形规律。第4期王拓新： 大直径盾构隧道与临近地铁车站的交互影响研究河北工业科技第38卷

1工程概况

某隧道在DK22+855-DK22+960段下穿地铁车站，穿越段落左右线隧道平行布置，隧道与地铁站平面位置如图1所示。

该盾构隧道属于大直径盾构隧道，直径达10 m（常规盾构隧道直径为6～8 m）。该段隧道拱顶距地表26.5 m，隧道位于车站单双层结构分界位置正下方，同时下穿2号风亭、1号出入口，隧道与地铁车站竖向关系图如图2所示。

该盾构隧道下穿地铁车站段，隧道洞身所处地层主要为黏土、粉质黏土、粉土、砂性土。各土层岩性特征如表1所示。隧道大部分位于粉质层和细沙层中，且主要在粉质层中，该地层非常适合盾构掘进。

2盾构施工参数影响分析

2.1有限元模型的建立

隧道-车站结构整体模型如图3所示。模型整体尺寸为180 m×150 m×50 m。隧道直径为10 m，总长为150 m，轴线间距为23 m，隧道拱顶距地表26.5 m，地铁车站在其上方10 m处。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，盾构机外壳采用板单元模拟。土体采用M-C本构模型。

2.2参数设定

土体参数根据当地土质监测报告确定，取值如表1所示。车站结构及隧道衬砌参数取值如表2所示。

2.3注浆压力的影响

隧道施工完成后，距地铁车站50 m处隧道横断面地表沉降曲线如图4所示。

图4研究了3种不同的注浆压力工况，可以看出，不同注浆压力下的地表沉降规律基本一致，盾构隧道施工主要引起隧道周边1.5倍直径范围内的土体变形。当注浆压力为200 kPa时，地表最大沉降约为4.7 cm;当注浆压力增大到300 kPa时，地表最大沉降约为2.9 cm，减小了约40%;当注浆压力增大到400 kPa时，地表最大沉降约为2.5 cm，较注浆压力300 kPa时减小了约15%。可以看出注浆压力对地表土体变形有显著影响。

隧道施工过程中刀盘距离车站结构不同距离时轨道结构沉降如图5所示。

可以看出，当注浆压力提升到400 kPa时，轨道结构沉降显著减小。因此，提升注浆压力可以有效控制隧道的变形。

不同注浆压力下的车站结构竖向位移云图如图6所示。

可以看出，由于下方隧道的存在，车站主體的最大竖向位移发生在隧道与既有车站主体净距离最小处。注浆压力分别为200，300和400 kPa 时，车站结构的最大位移分别为3.7，7和2.1 mm。可见，提升注浆压力可以有效控制地铁车站的变形。

为了更好地描述注浆压力对隧道变形的影响，将注浆压力无量纲化（注浆压力/上覆土层重力）。隧道拱顶沉降随注浆压力变化曲线（观测点取车站结构前50 m处的剖面）如图7所示。

当注浆压力小于上覆土层重力70%时，注浆压力的提升并不能显著控制隧道的变形。随着注浆压力的进一步增大，隧道拱顶沉降显著减小。当注浆压力大于上覆土层重力90%时，进一步提升注浆压力对改善隧道拱顶沉降的效果不佳。因此，本工程在实际施工时的注浆压力取为70%的上覆土层重力。

2.4掌子面压力的影响

观测点隧道拱顶位移随着掌子面掘进的变化曲线如图8所示。

随着掌子面的掘进，隧道拱顶沉降越来越大，当刀盘距观测点截面5 m时，拱顶沉降达到峰值。随着掌子面进一步掘进，隧道拱顶沉降迅速减小。当掌子面掘进到观测点时，拱顶沉降减小至零，随后隧道拱顶出现隆起，并且隆起迅速增大，在掌子面前5 m处隆起值达到峰值，这是由于掌子面压力造成前方土体隆起。

掌子面前5 m处隧道横断面位移如图9所示。掌子面压力分别为250，350和450 kPa时，土体隆起位移分别为0.83，1.21和1.89 cm。可见，掌子面压力对隧道变形有显著影响。

3种掌子面压力下的车站结构竖向位移云图如图10所示。

掌子面压力分别为250，350和450 kPa时，车站结构的最大位移分别为3.7，2.7和2.1 mm。可见，掌子面压力对车站结构变形有显著影响。

将掌子面压力无量纲化（掌子面压力/掌子面侧向静止土压力）。隧道拱顶沉降随掌子面压力变化曲线（观测点取车站结构前50 m的位置）如图11所示。

当掌子面压力小于1.5倍掌子面侧向静止土压力时，隧道拱顶沉降随掌子面压力线性增大。随着掌子面压力超过1.5倍掌子面侧向静止土压力，隧道拱顶沉降加速增大。因此，本工程盾构施工时掌子面压力控制在1.5倍侧向静止土压力。

3基于监测数据的隧道和既有车站变形分析

该盾构隧道下穿地铁车站的监测对象为下穿施工影响范围内的隧道、车站既有结构及周边环境，具体检测项目包括车站结构、隧道结构与轨道的竖向变形监测。

3.1监测变形控制指标

根据该工程设计文件及安全性影响评估报告要求，既有地铁监测控制值如表3所示。

3.2既有地铁现场监测作业方法

车站结构、隧道结构竖向位移变形监测点布设于车站及区间结构上。共布设6个监测断面，每个监测断面2个车站结构竖向位移测点;穿越位置两侧以20 m间距布设断面，东西两侧各布设2个断面，每个监测断面2个车站结构竖向位移测点。A出入口及2号风道布设结构竖向位移变形测点共计32个。测点布置如图12所示。

3.3数值结果和监测结果对比

监测点C04-1的隧道拱顶沉降的对比如图13所示。

数值模拟计算结果与监测结果较为吻合，误差在10%以内，验证了上述数值模型的正确性。

3.4隧道和车站结构监测结果分析

车站内轨道结构沉降随日期变化的曲线如图14所示。

图中选取了C04-1，C05-1，C06-1等3个测点，分别提取2018年2月12日—28日内的轨道沉降数据。可以看出，3个测点的沉降规律一致，当刀盘距离车站结构50 m时，轨道结构开始产生沉降，并在刀盘到达车站结构前缓慢增大;2018年2月21日—23日，當盾构开挖至车站结构正下方时，轨道结构的沉降显著增大，并在2月21日达到沉降最大值;随着盾构的进一步掘进，沉降出现了小幅回弹，并且轨道结构沉降趋于稳定。

不同日期轨道结构测点C02-1—C09-1的监测结果（即轨道结构横断面沉降曲线图）如图15所示。

选取了2018年2月24日—27日的轨道沉降数据，在垂直盾构隧道掘进方向上，轨道结构沉降的峰值发生在左线隧道左右边墙处，距离隧道中心线越远，沉降越小。距离左线隧道中线15 m距离外测点的沉降量迅速减小。该盾构隧道直径为10 m，表明盾构隧道对周边1.5倍直径范围内土体有显著影响。

距车站50 m处不同开挖时间的垂直于隧道掘进方向的地表沉降如图16所示。

从左线隧道中心线左侧-25 m到右侧25 m，每隔5 m设置一个监测点，将监测结果绘成地表沉降曲线。从图16中可以看出，距离左线隧道中心线15 m处，地表沉降开始迅速增大。地表沉降曲线也呈现出近似于正态分布的趋势，与Peck公式给出的曲线较为相似。同样可以看出，盾构隧道施工主要的影响区域是1.5倍直径范围内的土体。

车站结构最大变形监测结果如表4所示。可以看出，盾构隧道的施工会引起既有地铁车站主体结构、出入口和风亭较为显著的变形，但均在地铁安全运营范围之内。

综上所述，从数值模拟结果和监测结果可以看出，盾构隧道施工过程中，在合理的范围内提升注浆压力和掌子面压力能有效控制车站的变形在地铁安全运营范围之内，从而保证了施工的顺利进行。

4结语

本文结合某大直径盾构隧道穿越既有地铁车站的工程背景，采用PLAXIS3D模拟分析注浆压力和掌子面压力对隧道结构及既有车站的影响。同时通过对现场监测结果的分析总结了盾构隧道施工过程中大直径隧道及既有车站变形规律。得出以下主要结论。

1）当注浆压力在70%～90%上覆土层重力范围内，隧道和既有车站变形随着注浆压力的提升显著降低。

2）掌子面压力小于1.5倍掌子面侧向静止土压力时，隧道拱顶沉降随掌子面压力呈线性增大。反之，则加速增大。

3）大直径盾构隧道穿越既有地铁车站过程中，盾构隧道和既有车站均有较为显著的变形。主要的影响区域是1.5倍直径范围内。

模型中对衬砌管片进行了简化，后续研究将细化衬砌管片及接头的模拟，并通过力学试验获取更为准确的注浆浆液力学参数。

参考文献/References：

[1]陈庆章，漆伟强，江玉生，等.全断面富水砂层浅埋盾构隧道下穿平房群施工参数研究[J].现代隧道技术，2020，57（2）：169-175.

CHEN Qingzhang，QI Weiqiang，JIANG Yusheng，et al.Study on the construction parameters of shallow buried shield tunnels under bungalows in water-rich sand stratum[J].Modern Tunnelling Technology，2020，57（2）：169-175.

[2]王明胜，姜冲.成都地铁盾构区间隧道下穿锦江关键施工技术研究[J].现代隧道技术，2019，56（sup2）：619-624.

WANG Mingsheng，JIANG Chong.Study on key construction technologies for Chengdu Metro Shield Tunnel undercrossing the Jinjiang River[J].Modern Tunnelling Technology，2019，56（sup2）：619-624.

[3]刘庆丰，吴剑，刘凯.盾构并行穿越施工对既有隧道影响分析与关键技术[J].科学技术与工程，2020，20（12）：4939-4947.

LIU Qingfeng，WU Jian，LIU Kai.Influence analysis and key technology of shield tunnel parallel crossing construction under existing tunnels[J].Science Technology and Engineering，2020，20（12）：4939-4947.

[4]李围，任立志，孟庆明，等.盾构区间重叠隧道下穿高速铁路轨道群加固技术体系研究[J].现代隧道技术，2018，55（6）：191-196.

LI Wei，REN Lizhi，MENG Qingming，et al.Study on reinforcing technology system for the overlapped running shield tunnels underneath the track group of high speed railways[J].Modern Tunnelling Technology，2018，55（6）：191-196.

[5]KLAR  A，VORSTER T E B，SOGA K，et al.Soil-pipe interaction due to tunnelling：Comparison between Winkler and elastic Continuum solutions[J].Géotechnique，2005，55（6）：461-466.

[6]VORSTER T E，KLAR A，SOGA K，et al.Estimating the effects of tunneling on existing pipelines[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131（11）：1399-1410.

[7]阳军生，刘宝琛.挤压式盾构隧道施工引起的地表移动及变形[J].岩土力学，1998，19（3）：10-13.

YANG Junsheng，LIU Baochen.Ground surface movement and deformation due to tunnel construction by squeezing shield[J].Rock and Soil Mechanics，1998，19（3）：10-13.

[8]阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京：中国铁道出版社，2002.

[9]阳军生，李建生，傅金阳.隧道施工对邻近结构物影响评价软件的开发[J].地下空间与工程学报，2011，7（1）：168-173.

YANG Junsheng，LI Jiansheng，FU Jinyang.Assessment system of the effects of tunneling on adjacent structures[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7（1）：168-173.

[10]VU M N，BROERE W，BOSCH J.Volume loss in shallow tunnelling[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2016，59：77-90.

[11]賈瑞华，阳军生，马涛，等.既有管线下盾构施工地层沉降监测和位移加载数值分析[J].岩土工程学报，2009，31（3）：425-430.

JIA Ruihua，YANG Junsheng，MA Tao，et al.Field monitoring and numerical analysis of shield tunneling considering existing tunnels[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31（3）：425-430.

[12]MROUEH H，SHAHROUR I.A full 3-D finite element analysis of tunneling-adjacent structures interaction[J].Computers and Geotechnics，2003，30（3）：245-253.

[13]王非，缪林昌，黎春林.考虑施工过程的盾构隧道沉降数值分析[J].岩石力学与工程学报，2013，32（sup1）：2907-2914.

WANG Fei，MIAO Linchang，LI Chunlin.Numerical analysis of shield tunnel settlement considering construction process[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（sup1）：2907-2914.

[14]刘镇，房明，周翠英，等.交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究[J].工程地质学报，2010，18（5）：736-741.

LIU Zhen，FANG Ming，ZHOU Cuiying，et al.Influence of mix ground and space around new tunnel on existing tunnel settlement during crossing shield construction[J].Journal of Engineering Geology，2010，18（5）：736-741.

[15]房明，刘镇，周翠英，等.新建隧道盾构下穿施工对既有隧道影响的三维数值模拟[J].铁道科学与工程学报，2011，8（1）：67-72.

FANG Ming，LIU Zhen，ZHOU Cuiying，et al.3-D numerical simulation of influence of undercrossing shield construction on existing tunnel[J].Journal of Railway Science and Engineering，2011，8（1）：67-72.

[16]刘招伟，王梦恕，董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22（8）：1297-1301.

LIU Zhaowei，WANG Mengshu，DONG Xinping.Analysis on ground surface subsidence of metro tunnel induced by shield construction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（8）：1297-1301.