地铁暗挖隧道下穿预混站相互影响评价分析*

杨正华，段军朝，徐 杰

(1.西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021；2.中建三局基础设施建设投资有限公司，武汉 430061；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

地铁作为缓解城市交通拥堵的首要交通方式，具有快速、环保和节约土地等显著优点，但是受制于城市已有建筑、环境及景观的制约，城市轨道交通主要采用地下方式敷设，由于城市建构筑物较为密集，地铁工程在建造过程中下穿既有建构筑物不仅越来越普遍，而且往往是地铁建造过程中的重要风险点，是地铁建造过程中最值得关注的问题之一。为了保证地铁隧道下穿既有建构筑物安全可靠地实施，工程建设前利用计算机数值模拟技术开展仿真分析，掌握地铁隧道下穿既有结构的影响程度和规律，有针对性的采用工程防护措施和确立监测方案显得尤为重要。

针对隧道下穿既有建构筑物的情况，众多学者开展了相关研究工作，研究对象以盾构隧道下穿工程[1-5]和施工技术研究为主[6-8]，研究方法主要为数值模拟和工程实测。而对于暗挖隧道施工对既有建构筑物的影响，文献[9]开展了浅埋小净距隧道下穿地表建筑物变形影响分析，分析了隧道施工对人行天桥基础的变形影响；文献[10]对地铁暗挖隧道近距离下穿墩梁固结桥梁桩基开展了影响分析，并进行了有限元计算和实测值对比分析，证明设计和施工方案合理可行；文献[11]利用数值仿真软件开展了地铁暗挖隧道下穿既有火车站站场施工方案安全评估，对地铁开挖中地表沉降和衬砌结构应力进行了分析；文献[12]对暗挖隧道同时下穿铁路桥梁和隧道开展了数值分析，分析了加固和不加固方案下既有铁路桥梁及隧道的变形规律，对加固方案效果进行了评价。

尽管学者们开展了相关研究工作，但针对地铁暗挖隧道下穿具有动态荷载的预混站桩基础的研究鲜有报道。基于已有的研究基础，以成都轨道交通6号线三期工程出入场线下穿双流区公兴绿色建材厂预混站为工程背景，结合地铁隧道设计及开挖方案、既有预混站运营状态，利用数值仿真技术，开展了地铁隧道下穿预混站的相互影响分析，为该工程后期施工及施工风险控制提供理论支撑，并将工程实施过程中监测数据和数值计算结果进行了对比分析，可为以后台阶法暗挖隧道施工下穿既有结构提供参考。

1 工程概况

成都轨道交通6号线三期工程出入场线连接回龙停车场和兰家沟站，以地下方式敷设。在双黄路西侧出入场线需下穿双流区公兴绿色建材厂运营中的预混站。出入场线区间与预混站桩基础平面相交长度约40 m，预混站约有55根桩基础位于区间隧道正上方，桩底距离隧道结构拱顶约17 m，出入场线与预混站剖面关系如图1所示。

图1 出入场线与预混站基础剖面图

出入场线区间为单洞双线暗挖隧道，采用矿山法施工，隧道结构宽度12.75 m，高度9.94 m，台阶法开挖。隧道采用初支+二衬的复合衬砌结构型式，初支采用喷射C25早强混凝土，厚度280 mm；二衬结构采用厚度700 mm的C35模筑钢筋混凝土。隧道开挖之前，在开挖隧道拱部120°范围内设置超前注浆小导管注浆，边墙处设置∅22 mm砂浆锚杆。

预混站主站为地上5层钢筋混凝土结构，其基础采用直径∅500 mm的预应力混凝土管桩(PHC-AB型)，桩身按摩擦端承桩设计，桩身混凝土等级采用C80，与地铁隧道相交范围内的桩基长度15 m，桩身位于黏土或含黏土卵石层中，桩底位于含黏土卵石层中，基础设计等级为丙级。

本段地貌单元为岷江水系三级阶地，地层自上而下划分为第四系全新统人工填土(Q4ml)；其下为第四系中、下更新统冰水沉积层(Q4al+pl)黏土、含黏土卵石，下伏基岩为白垩系灌口组(K2g)泥岩五个工程地质层。区间隧道结构基底地层为泥岩层，岩层面起伏变化较小，分布均匀。

2 数值分析

根据区间隧道与预混站的相对位置关系、既有预混站的设计资料和区间隧道结构设计资料，采用有限元软件Midas GTS建立三维空间分析模型。其中采用实体单元模拟地层、二衬结构和其他实体基础，采用梁单元模拟桩基，采用板单元模拟初期支护，忽略锚杆等的补强作用，建立的整体数值计算模型如图2所示。

图2 数值计算模型

二衬和实体基础的破坏模式符合弹性本构关系，岩土体破坏遵循摩尔-库伦屈服准则。数值模拟隧道施工工序与实际隧道施工顺序保持一致，开挖Ⅳ区初支Ⅲ区的数值分析模型如图3所示，其余施工过程模拟类似。台阶法隧道施工开挖过程的模拟参考现行《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)的模拟方法进行，计算中通过设置荷载释放系数来模拟真实开挖支护过程，由于出入场线区间下穿公兴绿色建材厂区段隧道围岩级别为V级，本次计算中，综合考虑台阶法开挖围岩荷载释放比为10%，初期支护+围岩共同承载比为30%，初期支护+围岩+二衬共同承载比为70%。

图3 开挖Ⅳ区初支Ⅲ区的数值分析模型

数值计算中仅考虑地层自重形成的初始应力场，不考虑构造应力。模型边界条件为在模型四周及底部设置位移边界，顶部为自由边界。模型中的外部荷载主要为既有预混站荷载，按照其设计荷载施加于预混站柱底。由于隧道施工过程中，上部预混站将正常运转，本次数值计算在开挖隧道过程中考虑柱脚荷载为其运转荷载(即最大和最小轴压组合的平均值)，分析隧道施工对预混站桩基础变形和结构受力的影响。隧道施工后上二衬前，考虑预混站运营期间存在加载、卸载情况，分别在既有预混站柱脚施加最大和最小组合外力，模拟运营期间荷载变化对初支结构的影响。另外，由于地铁隧道结构设计使用年限为100 a，而混凝土搅拌站的设计使用年限为50 a，存在使用年限不匹配的问题，因此，数值分析中同时考虑了地铁隧道运营过程中预混站拆除的工况。根据本工程的地层特性和地质勘察报告，结合隧道结构的设计及施工情况，数值分析中的相关岩土材料计算参数见表1。

表1 岩土材料参数

2.1 隧道施工的影响分析

通过对各施工过程的有限元模拟及数值分析，得到隧道施工引起的各地层沉降云图如图4所示，隧道施工引起的地表沉降数值分析值和实测值对比图如图5所示。

图4 地层沉降云图

图5 隧道施工引起地表沉降

图4显示，因隧道开挖卸荷作用会导致围岩变形和地层沉降，地层沉降从地表到拱顶逐渐增大，隧道围岩会发生向隧道内的变形，具体表现为拱顶沉降和仰拱隆起。隧道开挖完成后，从地层的空间沉降分布来看，隧道正上方地层沉降最大，同时，既有结构桩基附近的地表沉降又较地表其他部位要大。主要原因是数值有限元分析中考虑了预混站上部结构的荷载影响，在既有的柱子上施加了不同大小的压力，伴随隧道施工过程对桩基的扰动，出现了土体应力重分布，导致既有桩基周围区域沉降量值有不同程度的增大。

从图5可以看出，总体而言，有限元分析得到的隧道施工引起的地表沉降值和现场实测值拟合度较好，最大地表沉降发生在隧道的正上方。随着距离隧道中线越远，地表沉降越小。隧道施工引起的地表沉降分布大致呈高斯函数分布，满足Peck公式分布特征。

通过数值分析，得到隧道开挖前后既有预混站桩基的最大轴力和最大弯矩值见表2，对比分析表明，由于既有上部结构采用独立基础，隧道施工造成的桩基变形为整体沉降变形，虽然隧道开挖会引起一定的卸载效应，但整体上隧道施工对预混站桩基础内力影响较小。

表2 隧道开挖前后桩基内力值

隧道开挖过程中不仅要分析隧道对既有结构的影响，同时需保证隧道自身支护结构的安全可靠，为此对隧道初期支护进行了有限元分析，得到隧道施工完成后初期支护的轴力和弯矩分布如图6所示。

图6 隧道施工完成后初期支护内力

从隧道施工全过程的支护结构的内力分布图可以看出，初期支护呈现轴力较大而弯矩较小的受力状态，根据内力对初支结构进行检算，结果表明初支结构安全可靠，隧道施工过程中初支的安全性整体可控。

2.2 预混站加卸载对初支结构的影响

隧道上二衬之前，通过在预混站柱脚分别施加最小、最大轴压组合轴向力来考虑预混站卸载、加载运营的影响。数值分析表明，预混站空载及满载运营下，初支结构内力的计算结果规律基本相同，数值上略有差异。主要计算结果见表3。

由表3可以看出，由于本区段隧道埋深较深，且地层工程特性较好，预混站运营期间的加卸载作用经过地层扩散后，对隧道初期支护结构的影响波动很小。因此，可认为上部预混站正常加、卸载对下部隧道的影响甚微。但需要说明的是，本次在进行动载施加的时候，是缓慢加载的，没有考虑落物冲击等震动的影响。因此，考虑实际施工过程中可能存在的冲击，仍需要通过加强监控量测，实时反馈施工，进行必要的处置，以保证初支的稳定性和既有结构的安全性。

表3 预混站加卸载对初支结构轴力、弯矩的影响

2.3 后期预混站拆除对地铁隧道的影响

二衬主应力及变形图如图7所示。通过对比预混站拆除前后隧道二衬主应力图，可以看到，后期预混站拆除后隧道二衬主应力变化很小。总体而言，后期预混站的拆除认为对隧道运营影响甚微。隧道结构变形分析可得到上部结构拆除后，在卸载作用下会引起隧道衬砌结构整体上浮，衬砌最大上浮量、底部隧道上浮量满足运营城市轨道交通轨道竖向沉降、水平变形的控制要求。

图7 二衬主应力及变形图

3 隧道施工控制

3.1 监测项目及控制标准

在对隧道下穿预混站过程中地层变形、地表沉降、施工扰动区域、基础内力、预混站近远期运转荷载变化对隧道结构稳定性及受力等进行了定性和定量的分析的基础上，根据现行《城市轨道交通结构安全保护技术规范》和《城市轨道交通地下工程建设规范》相关规定，结合成都双流区公兴绿色建材厂项目与地铁6号线三期出入场线区间隧道平、剖面位置关系，可知该预混站项目位于城市轨道交通控制保护区内，区间隧道与既有搅拌站的接近程度为接近，区间隧道下穿既有预混站的施工风险等级为II级。

根据本工程的风险等级，结合国内外的相关经验和相关规范，考虑到地铁运营中对轨道沉降标准、接触网变形控制标准、信号机沉降控制标准等要求，确定了本项目的主要监测项目及控制标准见表4。

表4 主要监测项目及控制标准

3.2 工程措施及实施效果评价

工程实施过程中将开展超前地质预报、加强监控量测贯穿于施工全过程，施工掘进过程严格按照设计支护参数进行施工。施工中严格控制开挖进尺、减少围岩扰动，并及时进行初期支护背后注浆，施工仰拱初支并封闭成环，保证了暗挖隧道下穿预混站的施工安全可控。

通过对隧道下穿期间的地表沉降、建筑物沉降、隧道拱顶沉降及净空收敛的监测数据进行统计分析，得到既有预混站观测点的最大沉降曲线、拱顶沉降实测数据曲线和隧道净空收敛监测数据曲线分别如图8～10所示。

图8 预混站观测点最大沉降曲线

由图8～10可知，暗挖隧道下穿预混站施工过程中，既有预混站的沉降监测数据曲线与前期的数值模拟计算趋势相同，暗挖隧道施工期间既有预混站沉降随着距离隧道中线的距离增大沉降逐渐减少。隧道施工期间，既有预混站最大沉降值发生在隧道的正上方，最小沉降值发生在距离隧道中心线最远处，所有预混站的沉降值均在沉降控制标准以内；在隧道开挖过程中，沿隧道纵向，不同位置处隧道拱顶沉降、净空收敛监测数据存在较大差异，整体呈现上下小幅波动，净空收敛均小于监测控制指标，说明隧道下穿过程中衬砌结构的变形均在安全可控的范围内。

图9 实测拱顶沉降

图10 隧道净空收敛

4 结 论

通过数值计算模拟隧道开挖过程，开展了地铁暗挖隧道下穿运营中的预混站的相互影响分析，得到以下结论：

1) 采用合理的有限元模型和计算参数得到的数值仿真分析结果与实测值吻合度较好，台阶法暗挖隧道下穿既有预混站造成的地表沉降满足Peck公式分布特征，最大地表沉降发生在隧道的正上方。隧道开挖工程中引起的土体扰动和应力重分布会对上部预混站桩基产生卸载效应，整体引起的既有预混站桩基轴力及弯矩变化较小，均在工程可接受的范围内。

2) 隧道上二衬之前，预混站运营过程中的空满载变化对初支结构的影响有限，引起的初支轴力和弯矩变化均不超过5%。地铁隧道设计使用年限内既有预混站的拆除会引起隧道的上浮，底部隧道上浮量不超过2 mm，满足运营变形要求。隧道下穿既有建筑物往往是工程中的重要风险点，利用数值仿真技术，开展隧道开挖施工影响分析，对于确定相关监测项目和控制标准、指导施工作业和优化施工措施具有重要意义。