地鐵風道近接下穿既有地鐵車站引起的結(jié)構(gòu)變形

陶連金， 鄭 輝， 李文博， 王文沛， 王開源

(北京工業(yè)大學 巖土與地下工程研究所，北京 100124)

地鐵風道近接下穿既有地鐵車站引起的結(jié)構(gòu)變形

陶連金， 鄭 輝， 李文博， 王文沛， 王開源

(北京工業(yè)大學 巖土與地下工程研究所，北京 100124)

為保證北京某新建地鐵風道工程近接施工安全，借助FLAC3D軟件對該風道CRD工法的施工過程進行動態(tài)數(shù)值模擬。計算模型為地層結(jié)構(gòu)模型，土體材料模型采用摩爾－庫侖準則。結(jié)果表明:既有地鐵車站最大沉降量為2.54 mm，發(fā)生在該車站東南出入口及風道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接的位置，車站與出入口的連接處最大沉降量為0.63 mm?？拷陆ǖ罔F風道開挖一側(cè)的既有車站出入口側(cè)墻最大水平位移為0.49 mm，車站與出入口連接處的縱向最大水平位移為0.28 mm。新建地鐵風道工程對既有地鐵車站整體結(jié)構(gòu)變形影響較小，既有車站最大沉降量及軌道最大差異沉降值均在安全范圍內(nèi)。該研究為地鐵工程的設(shè)計與施工提供了有益參考。

地鐵車站;風道;結(jié)構(gòu)變形;CRD法施工;數(shù)值模擬

0 引言

近年來，隨著我國城市地下空間的飛速發(fā)展，新建地鐵遇到許多近接施工問題［1－2］，出現(xiàn)多種立面交叉形式，例如隧道平行、上下正交、斜交以及隧道近接樁基、地下管網(wǎng)等。上海明珠線在靠近南浦大橋站端頭井處隧道上下重疊在一起，兩條隧道的最小凈間距僅為2.0 m;深圳地鐵一期工程羅湖至大劇院區(qū)間重疊隧道和天虹—崗廈區(qū)間隧道與民房樁基近接距離僅為0.31 m［3－4］;南京地鐵1號線在下穿玄武湖公路隧道時，與玄武湖公路隧道底板的最小凈距僅為1.004 m，是資料記載的兩條隧道上下重疊的最小距離，屬于超近接施工問題［5］。這種近接工程處在城市地上交通繁忙、地下管線密布、邊界條件復(fù)雜的環(huán)境下，相互間的影響較大，加大了施工的控制難度。為此，我國學者進行了大量研究，提出了一些處理措施［3－4］。目前，暗挖法是地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)施工更趨于采用的方法。該方法對地面干擾小，不影響交通，可盡量避開市政管線。

北京市某新建地鐵風道與既有車站主體結(jié)構(gòu)水平距離7 m，風道初支與既有風道結(jié)構(gòu)底板底凈距離約為1.08 m，屬于典型的近接施工問題。該風道采用CRD法施工，為保證既有車站的正常運營，利用FLAC3D軟件對該車站風道近接下穿既有地鐵車站的整個開挖過程進行了仿真模擬，分析了新建車站風道施工過程對既有地鐵車站的變形受力影響，為地鐵工程設(shè)計與施工提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

既有地鐵車站兩端為三層明挖框架結(jié)構(gòu)，中間為單層暗挖雙連拱復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。車站共設(shè)四個出入口、兩個風亭，主體全長181 m，其中，明挖段長118.2 m，寬18.9 m;暗挖段長61.2 m，寬19.3 m?；娱_挖深度為22.5 m，采用明挖順作法施工，明挖段覆土埋深約2.8 m。南北基坑，1#、2#出入口及2#風道采取鉆孔樁加鋼支撐聯(lián)合支護型。暗挖段覆土埋深14 m左右，矩形隧道間距17 m，兩側(cè)的袖閥管注漿阻水墻厚3 m，超前支護采用φ108 mm大管棚，管棚長30 m，內(nèi)插4φ16 mm鋼筋籠，管內(nèi)用水泥砂漿填充密實。1號風道、豎井與既有車站平面關(guān)系如圖1所示。

新建地鐵隧道西南側(cè)1號風道垂直下穿既有東南風道，風道初支與既有風道結(jié)構(gòu)底板底的凈距離約為1.08 m。按照風險源分級管理辦法［6］，風險等級屬于特級。風道下穿既有風道剖面如圖2所示。

圖2 風道下穿既有風道剖面Fig.2 Profile of air duct passing under existing air duct

2 數(shù)值模擬

應(yīng)用FLAC3D軟件分析新建地鐵車站風道結(jié)構(gòu)施工對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)變形的影響。

2.1 參數(shù)選取

數(shù)值分析計算采用地層結(jié)構(gòu)模型。巖土參數(shù)根據(jù)巖土勘察報告確定，見表1。既有地鐵車站、出入口、風道以及新建車站支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

2.2 計算模型

土體模型根據(jù)彈塑性理論計算，材料模型采用摩爾－庫侖準則。土體及結(jié)構(gòu)均采用實體單元。模型上邊界為地表，取為自由邊界，其他面均采取法向約束。數(shù)值計算考慮自重條件下的應(yīng)力場。

表1 地層物理力學參數(shù)Table 1 Parameters of soil property

表2 風道近接下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters of air duct passing under existing subway station

為更好地模擬實際施工過程，在保證計算精度的前提下對模型進行合理簡化。該模型邊界取隧道直徑的4～5倍。結(jié)合數(shù)值模擬經(jīng)驗，新建地鐵車站1號風道下穿既有地鐵線東南車站出入口及風道整體地層模型長200 m，寬120 m，高60 m，共有3 447 308個單元，352 495個節(jié)點，數(shù)值計算模型如圖3所示。既有地鐵線東南車站主體距地表3 m，新建地鐵線1號風道距既有10號線出入口及風道底板1.08 m，風道豎井出露地表。風道近接下穿既有地鐵車站主體結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖4所示。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical model

2.3 模擬施工工序

根據(jù)新建地鐵車站1號風道下穿既有地鐵車站主體、出入口及風道施工過程，計算模型的風道施工橫向開挖分三道工序(圖5)，縱向開挖分四道工序(圖4)，共十二道工序。橫向開挖工序如下:

工序一 左部導洞開挖(上部左導洞①開挖，施加襯砌;中部左導洞②開挖，施加襯砌)。

工序二 右部導洞開挖(上部右導洞③開挖，施加襯砌;中部右導洞④開挖，施加襯砌)。

工序三 下部導洞開挖(下部左導洞⑤開挖，施加襯砌;下部右導洞⑥開挖，施加襯砌)。

當新建車站風道結(jié)構(gòu)縱向開挖至工序二結(jié)束時，風道右側(cè)封堵左側(cè)繼續(xù)開挖。

圖4 風道近接下穿既有地鐵車站主體結(jié)構(gòu)位置關(guān)系Fig.4 Position relationship of air duct passing under existing subway station

圖5 施工橫向開挖工序Fig.5 Construction steps

2.4 結(jié)果與分析

根據(jù)數(shù)值模型分析新建地鐵車站風道結(jié)構(gòu)開挖后既有車站底板和出入口變形情況。圖6為新建地鐵整體結(jié)構(gòu)最大豎向位移云圖。

從圖6可以看到，既有車站最大沉降量為2.54 mm，發(fā)生在既有地鐵車站東南出入口及風道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接的位置，其中車站與出入口的連接處最大沉降量為0.63 mm。該豎向位移是十二歩序累加的結(jié)果，風道開挖采用CRD法分段開挖方式，從空間位置關(guān)系上看，正是風道上方對應(yīng)的出入口的變形值最大位置，出入口典型截面1即既有車站最大沉降位置(圖7)沉降量在3 mm以內(nèi)，滿足地鐵安全要求。

圖7 典型截面1Fig.7 Typical cross-section 1

由于新建地鐵車站風道結(jié)構(gòu)是在既有地鐵車站東南側(cè)地下開挖的，其開挖勢必會造成既有車站水平方向發(fā)生位移。表3為各施工工序中既有結(jié)構(gòu)(車站主體、出入口等)橫向變形計算結(jié)果。

表3 各施工工序中既有結(jié)構(gòu)橫向變形最大值Table 3 Maximum horizontal deformation in construction process of structure

可以看到，靠近新建地鐵風道開挖一側(cè)的既有車站出入口側(cè)墻最大水平位移為0.49 mm。從車站縱向來看，最大水平位移出現(xiàn)在車站與出入口的連接處，最大水平位移為0.28 mm。

隨著既有車站結(jié)構(gòu)的變形，道床也會發(fā)生差異沉降，導致軌道縱向和橫向不平順［7］，因此選取出入口典型截面1分析軌道的豎向和橫向最大變形，變形曲線如圖8所示。由圖8所示，車站出入口軌道豎向變形發(fā)生在距離該出入口14 m處，變形值為2.45 mm;橫向變形在軌道出入口處最大，為0.16 mm，隨著與出入口距離的增大，橫向變形的位移逐漸減小。

圖8 典型截面1(軌道)變形曲線Fig.8 Deformation curves of typical cross-section 1(track structure)

在既有車站結(jié)構(gòu)上選取典型截面2和截面3 (圖9)，分析既有車站左線與右線軌道在新建風道結(jié)構(gòu)不同施工階段發(fā)生的差異沉降。兩個典型截面的豎向和橫向變形曲線如圖10所示。

圖9 典型截面2、3Fig.9 Typical cross-section 2，3

圖10 既有車站典型截面2、3變形曲線Fig.10 Deformation curves of typical cross-section 2，3 of existing subway station

從圖中可以看出，車站南端明挖段典型截面2和3最大豎向變形發(fā)生在明挖段的中間位置，豎向變形分別為0.48 mm和0.40 mm;最大橫向變形發(fā)生在明挖段與暗挖段相接的位置，橫向變形分別為0.19 mm和0.28 mm。該端暗挖段典型截面2和3最大豎向變形發(fā)生在暗挖段與明挖段相接的位置，豎向變形分別為0.22 mm和0.11 mm;最大橫向變形發(fā)生在明挖段與暗挖段相接的位置，橫向變形分別為0.20 mm和0.28 mm。橫向和豎向變形最大差異沉降值很小，為－0.5～+0.5 mm和－0.25～+0.5 mm，均在軌道安全管理值范圍內(nèi)。

綜上所述，新建地鐵車站風道施工對于既有地鐵車站的變形影響比較小，既有地鐵車站的最大沉降量及道床最大差異沉降值均在安全范圍之內(nèi)。該研究為新建地鐵風道的設(shè)計與施工提供了有益參考。

3 結(jié)論

(1)既有車站最大沉降量為2.54 mm，發(fā)生在既有地鐵車站東南出入口及風道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接的位置，其中車站與出入口的連接處最大沉降量為0.63 mm?？拷陆ǖ罔F風道開挖一側(cè)的既有車站出入口側(cè)墻最大水平位移為0.49 mm。從車站縱向來看，最大水平位移為0.28 mm，出現(xiàn)在車站與出入口的連接處。

(2)新建地鐵車站風道施工對于既有地鐵車站的變形影響比較小，既有地鐵車站的最大沉降量及道床最大差異沉降值均在安全范圍內(nèi)。

(3)建議在施工中建立圍巖支護結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測系統(tǒng)，隨時掌握施工過程中的動態(tài)變化，合理安排，調(diào)整施工工藝和修改設(shè)計參數(shù)，確保施工安全。

［1］仇文革.地下工程近接施工力學原理與對策的研究［D］.成都:西南交通大學，2003.

［2］俞鑫風，王 健.地鐵隧道近接施工相互影響研究現(xiàn)狀及其思考［J］.北京建筑工程學院學報，2008，24(3):30－34.

［3］白廷輝，尤旭東，李文勇.盾構(gòu)超近距離穿越地鐵運營隧道的保護技術(shù)［J］.地下工程與隧道，2000(3):2－6.

［4］張志強，何 川.地鐵盾構(gòu)隧道近接樁基的施工力學行為研究［J］.鐵道學報，2003，25(1):92－95.

［5］張志強，何 川.南京地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道“下穿”玄武湖公路隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.巖土力學，2005，26(11): 1711－1716.

［6］關(guān)繼發(fā).新建地鐵隧道穿越既有地鐵安全風險及其控制技術(shù)的研究［D］.西安:西安建筑科技大學，2008.

［7］廉功乙.地鐵平行換乘站幫接建設(shè)對既有車站結(jié)構(gòu)的影響研究［D］.北京:北京交通大學，2010.

Deformation caused by nearby existing subway station with under crossed air duct

TAO Lianjin， ZHENG Hui， LI Wenbo， WANG Wenpei， WANG Kaiyuan
(Institute of Geotechnical＆Underground Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Aimed at ensuring the safety of the air duct construction of a newly built subway station in Beijing，this paper introduces the use of FLAC3D to perform the dynamic numerical simulation of CRD method-based construction of subway air duct project.This method involves stratigraphic structure model as the computational model and the soil material model is Mole－Coulomb criterion.The results suggest that the existing station is subject to the largest settlement of 2.54 mm，occurring at the southeast entrance of the station and the transferring location of the air duct structure，leaving the connection place of the station and the entrance exposed to the largest settlement of 0.63 mm，and the entrance side wall near the excavation place of subway air duct is subject to the horizontal displacement of 0.49 mm.The connection place of the station and the entrance experiences the largest horizontal displacement of 0.28 mm.The air duct construction exerts a less effect on the overall deformation of the station structure，keeping both the largest settlement of the existing station and the differential settlement of the track within the safety range.This research offers the useful reference for the design and construction of the subway project.

subway station;air duct;structural deformation;CRD method;numerical simulation

U231

A

1671－0118(2011)05－0381－05

2011－09－06

北京市自然科學基金重點項目(KZ200910005009)

陶連金(1964－)，男，黑龍江省雞西人，教授，博士，研究方向:巖土與地下工程，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。

(編輯荀海鑫)