隧道密貼下穿地鐵車站結(jié)構(gòu)變形數(shù)值分析

沈小輝，魏云杰，陶連金，李文博，許有俊

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

隨著我國(guó)城市地鐵的飛速發(fā)展，車站、隧道等空間交錯(cuò)結(jié)構(gòu)愈來(lái)愈普遍，穿越施工工程越來(lái)越多。地鐵交叉穿越傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是兩隧道之間保留2～10 m的夾層土，以減小上層隧道的變形。但這種工法產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形依然很大，已經(jīng)無(wú)法滿足北京地鐵發(fā)展的需要。目前大多改為密貼穿越，密貼穿越技術(shù)大多采取注漿加固，這是一種被動(dòng)的加固方法，一旦上層隧道產(chǎn)生沉降及變形，這種沉降及變形將無(wú)法恢復(fù)。目前北京較主流的穿越施工方法為新建地下結(jié)構(gòu)頂板與既有地下結(jié)構(gòu)底板密貼方法施工(專利工法)。該工法采取液壓同步控制頂升技術(shù)，在下穿段施工的各個(gè)階段中按照不同的沉降變形量進(jìn)行頂升調(diào)整，將上部結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀，有效地控制了施工期間對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形［1-6］。本文擬對(duì)上述兩種工法進(jìn)行比較，利用三維有限差分計(jì)算軟件FLAC 3D軟件，對(duì)北京某雙矩形區(qū)間隧道密貼下穿既有地鐵車站施工工程進(jìn)行了全程仿真模擬。研究了兩種工法下對(duì)既有地鐵車站的變形受力影響，并給出了千斤頂工法下既有車站軌道結(jié)構(gòu)典型的雙峰形態(tài)沉降槽，為既有地鐵車站的安全評(píng)估提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 工程概述

新建雙矩形隧道密貼下穿既有車站結(jié)構(gòu)。上層車站為單層暗挖雙連拱復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，初襯厚度為0.35 m，二襯厚度為0.70 m，中柱的直徑為700 mm，中心段間距為3.00 m。下層為兩個(gè)分離矩形隧道，初襯厚度為0.35 m，二襯厚度為0.50 m，隧道寬度為6.4 m，隧道中心線距離為17 m。既有車站頂板結(jié)構(gòu)的上覆土層厚14 m。

2 數(shù)值計(jì)算建模

土體模型根據(jù)彈塑性理論計(jì)算，土體材料模型采用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則。模型上邊界為地表，取為自由邊界，其他面均采取法向約束［7-8］。數(shù)值計(jì)算考慮自重條件下的應(yīng)力場(chǎng)。為更好地模擬實(shí)際施工過(guò)程，在保證計(jì)算精度的前提下對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。新建雙矩形隧道密貼下穿車站結(jié)構(gòu)模型長(zhǎng)90 m，寬70 m，高50 m，模型圖詳見(jiàn)圖1。土體和結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，所用結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1 數(shù)值模型

根據(jù)巖土勘察報(bào)告，并考慮數(shù)值計(jì)算模型要求，將場(chǎng)地土層性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)相似的土層進(jìn)行合并，共合并成7層土，詳見(jiàn)表2。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 工況模擬

由于新建雙矩形隧道密貼下穿既有地鐵車站工程，因此采用如下兩種工況進(jìn)行模擬。

工況Ⅰ:注漿加固，左右線依次通長(zhǎng)開挖，共2道步序，從而得到既有結(jié)構(gòu)底板最大沉降值，見(jiàn)圖2。

表2 土層參數(shù)

工況Ⅱ:千斤頂鋼架縱向間距為1.5 m，每榀鋼架設(shè)置3個(gè)千斤頂，一個(gè)洞室型鋼成環(huán)后，及時(shí)對(duì)千斤頂預(yù)加頂力300 kN，按5 kN分級(jí)加載。左右線對(duì)稱開挖。本次計(jì)算模型的模擬施工，橫向4個(gè)導(dǎo)洞開挖分4道步序，縱向每個(gè)導(dǎo)洞開挖分3道步序，共12道工序，見(jiàn)圖3。

圖2 工況Ⅰ施工步序

圖3 工況Ⅱ施工步序

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 變形結(jié)果分析

由數(shù)值模擬可得工況Ⅰ中新建雙矩形隧道，密貼下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)初襯最大變形為6.97 mm，二襯最大變形為6.96 mm，影響范圍為30 m。工況施工工序中既有結(jié)構(gòu)豎向變形最大值結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

表3 工況Ⅰ各施工工序中既有結(jié)構(gòu)豎向變形最大值mm

工況Ⅱ中新建雙矩形隧道密貼下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)初襯最大變形為3.36 mm，二襯最大變形為2.35 mm，施工工序?yàn)?2。工況Ⅱ施工工序中既有結(jié)構(gòu)豎向變形最大值結(jié)果匯總見(jiàn)表4。

表4 工況Ⅱ各施工工序中既有結(jié)構(gòu)豎向變形最大值 mm

綜上所述，工況Ⅰ既有結(jié)構(gòu)豎向變形大約是工況Ⅱ既有結(jié)構(gòu)豎向變形的3倍，即千斤頂工法(工況Ⅱ)較注漿加固工法能更有效地控制施工期間既有車站產(chǎn)生的變形。

4.2 既有軌道結(jié)構(gòu)變形分析

既有車站軌道中心截面的沉降槽曲線為典型的雙峰形態(tài)曲線，最大值為2.2 mm(見(jiàn)圖4)。

圖4 工況Ⅱ既有車站結(jié)構(gòu)變形

5 結(jié)論

本文對(duì)北京地區(qū)某雙矩形區(qū)間隧道，密貼下穿既有地鐵車站動(dòng)態(tài)施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了兩種工況分別對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形影響，得到以下結(jié)論:

1)工況Ⅰ中新建地鐵7號(hào)線穿越車站引起既有10號(hào)線雙井站主體結(jié)構(gòu)在注漿加固后豎向變形最大值為6.97 mm，發(fā)生在既有暗挖段車站初襯底板;工況Ⅱ中新建地鐵7號(hào)線穿越車站引起既有10號(hào)線雙井站主體結(jié)構(gòu)在施加千斤頂之后豎向變形最大值為2.36 mm，也發(fā)生在既有暗挖段車站初襯底板。千斤頂工法較注漿加固工法能夠更有效地控制施工期間既有車站產(chǎn)生的變形。

2)新建地鐵7號(hào)線穿越車站引起雙井站主體結(jié)構(gòu)沉降變形，采用千斤頂之后既有軌道結(jié)構(gòu)沉降槽形態(tài)為典型的雙峰形態(tài)，最大值為2.2 mm左右。

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