临近地铁车站的盾构隧道施工的稳定性研究

2022-06-03张文一刘力

工程建设与设计 2022年9期

张文一，刘力

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082）

1 引言

地铁因其快速、便捷、方便、舒适、占地少、载客量大以及运营安全等特点，在大城市得到迅速发展。随着地铁线路的迅速发展，地铁线路和既有构建筑物必然会交叉施工，尤其是已有地铁车站结构。地铁隧道的施工必然对地铁车站结构产生不利影响，甚至危害已有地铁车站的结构安全。

因此，越来越多的科研工作者采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法，研究了隧道施工对既有建构筑物的影响问题。胡群芳等[1]基于现场监测结果，研究了盾构施工对既有隧道的影响，总结了隧道穿越过程中既有隧道的变形规律和施工技术措施。邵华等[2]建立三维数值模型模拟临近既有隧道的盾构隧道施工过程，分析了盾构隧道施工过程中已运营隧道变形扰动，并对相关敏感参数进行分析。房居旺[3]利用有限元软件建立数值模型，研究了隧道施工过程中地铁车站的变形规律，深入分析了变形控制措施。陈彬科等[4]基于数值模拟手段，对临近地铁车站的地铁隧道施工方案进行研究，分析了不同施工方案下既有车站变形的影响。吴浩[5]利用三维有限元软件，评估了盾构隧道下穿既有车站过程中既有地铁车站的安全性。房明等[6]利用三维数值模拟，分析了隧道下穿既有隧道的施工过程，分析了既有隧道变形过程，评估了新建隧道和既有隧道的安全性。

基于某盾构隧道临近既有地铁车站的施工过程，进行数值模拟，系统分析了不同施工参数对车站变形的影响，并结合现场监测结果，分析了盾构施工过程中车站结构的变形过程。

2 工程概况

某双线地铁隧道下穿地铁车站，该区间双线隧道间处于平行位置，隧道穿越地铁车站的区间范围内土层厚约20.5 m。隧道下穿地铁车站段近接车站的出入口，同时经过风亭。隧道中心线与车站出入口最近距离约为15.9 m。盾构隧道和既有车站关系位置如图1 所示。该下穿车站的隧道区间多处于粉质黏土层，有利于盾构的掘进。表1 列出了主要土层物理力学参数。

图1 隧道-车站模型图

表1 土层参数

3 模型建立

3.1 三维数值模型

图1 给出了隧道-车站结构整体模型图。该双线隧道距离为22 m，隧道拱顶距地表20 m，地铁车站在其上方10 m 处，隧道的半径为5 m。采用板单元模拟地铁车站。

3.2 参数选取

根据现场勘探资料，土体参数取值见表1，土体采用摩尔-库伦模型。地铁车站参数及盾构隧道参数取值：初衬厚度为0.2 m，重度为15.5 k N/m3，弹性模量为34.5×106kPa；盾构机护壁厚度为0.18 m，重度为26.0 kN/m3，弹性模量为2×108kPa；车站主体结构重度为25.0 kN/m3，弹性模量为3.0×107kPa。

4 模拟结果分析

图2 给出了车站内人行道沉降随盾构掘进过程中的曲线图。如图2 所示，当盾构刀盘距车站约50 m 时，车站内人行道开始产生结构沉降，随后缓慢增大。当盾构刀盘临近车站时，车站人行道沉降迅速增大。当注浆压力分别为200 kPa、300 kPa和400 kPa 时，车站内人行道最大沉降分别为-2.1 mm、-1.1 mm和-1.0 mm。可见，车站人行道沉降随着注浆压力的提升显著减小，但当注浆压力超过300 kPa 后，变形控制效果有限。可见，该工程经济合理的注浆压力为300 k Pa。

图2 不同注浆压力下车站人行道沉降

图3 为不同掌子面压力下隧道施工过程中地铁车站内人行道沉降图。如图3 所示，当掌子面压力分别为250 kPa、350 kPa和450 kPa 时，对应的人行道沉降峰值为-2.45mm、-1.15 mm和-1.10 mm。由此可知，掌子面压力对车站人行道沉降影响显著，且随着压力的增大而减小，但当掌子面压力超过350 kPa后，变形控制效果有限。可见，该工程经济合理的掌子面压力为350 kPa。

图3 不同掌子面压力下车站人行道沉降

图4 给出了地铁车站内人行道变形的监测数值和数据对比。可以看出，两者曲线吻合较好，误差在合理范围内，说明了上一节中三维数值模型的合理性。

图4 数值结果和监测结果对比

图5 给出了车站内人行道沉降随日期变化的曲线图。图5中选取了3 个测点的监测结果，绘制了车站内人行道沉降数据曲线。如图5 所示，人行道内3 个监测点变形趋势一样：2 月16日起，人行道出现沉降，随后人行道沉降逐渐变大再刀盘接近车站过程中。当盾构机刀盘穿过地铁车站，人行道沉降迅速变大，在人行道沉降峰值发生在21 日。随后人行道沉降逐渐稳定。

图5 车站内人行道沉降变化曲线

图6 给出了地铁车站前方10 m 处4 个时间点的地表沉降曲线。以左线隧道中心线为准，将25 m 范围内的监测数据制成变形曲线。通过图6 可以发现，左线隧道中心线左右侧15 m 范围内，地表沉降显著变大，且该变形曲线呈现正态分布规律。由此可知，隧道掘进过程对隧道周边15 m 范围（约3 倍隧道半径）土体有显著影响。