新建隧道“零距離”下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)變形分析

吳昊天，武 科，張 文，王亞君，于雅琳，李光勇

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟南 250061;2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院， 山東 濟南 250061;3.山東貝特建筑科學(xué)研究院, 山東 濟南 250061)

新建隧道“零距離”下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)變形分析

吳昊天1，武 科2，張 文1，王亞君1，于雅琳2，李光勇3

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟南 250061;2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院， 山東 濟南 250061;3.山東貝特建筑科學(xué)研究院, 山東 濟南 250061)

隨地鐵工程的迅速發(fā)展，下穿工程越發(fā)常見，如何預(yù)測和控制新建隧道下穿施工中對既有結(jié)構(gòu)的影響，以保證既有機構(gòu)的正常使用已成為設(shè)計者和科研人員的重要課題。結(jié)合深圳地鐵7號線“零距離”下穿既有福民車站工程，通過數(shù)值模擬、監(jiān)控分析等方法，研究下穿施工對車站既有結(jié)構(gòu)的影響程度和范圍。研究表明：下穿施工過程中，整體車站結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輕微上浮的趨勢，較大變形出現(xiàn)在隧道上方底板結(jié)構(gòu)處及其兩側(cè)，與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果相符；車站樓板結(jié)構(gòu)主應(yīng)力主要以承受壓應(yīng)力為主，與隧道相接處承受最大主應(yīng)力拉應(yīng)力。通過數(shù)值模擬和監(jiān)測對比分析，研究下穿施工影響規(guī)律，為類似工程提供參考和借鑒。

深圳地鐵；下穿施工；下穿車站；數(shù)值模擬；監(jiān)測分析

近年來，城市軌道交通工程發(fā)展迅速，城市地鐵網(wǎng)絡(luò)縱橫交錯越發(fā)完善，因而時常出現(xiàn)新建地鐵隧道近接既有結(jié)構(gòu)施工的情況，如何控制下穿施工過程中對既有結(jié)構(gòu)帶來的擾動，以保證其正常運營就成了地鐵設(shè)計與科研人員面臨的重要課題[1-5]。

近年來，隧道近接施工實例愈發(fā)常見，相關(guān)的理論研究與參考案例也更加完善[11-15]，但仍未形成完善體系，對于不同工程存在很大差別，難以準確預(yù)測施工中的可能變形。本文針對深圳地鐵7號線“零距離”下穿既有福民地鐵車站工程展開研究，其下穿隧道拱頂緊貼車站結(jié)構(gòu)底板，較為特殊。

1 工程概況

深圳地鐵7號線皇崗村—福民站區(qū)間隧道呈75°下穿既有4號線富民車站，下穿區(qū)間28 m，下穿隧道斷面采用6.6 m×7.8 m方形斷面；雙線隧道間距8.9 m。福民車站為雙層結(jié)構(gòu)，筑有地下連續(xù)墻，側(cè)壁與地連墻結(jié)構(gòu)上相連，地連墻、側(cè)壁厚度分別為0.8 m，0.4 m?；矢^(qū)間下穿既有地鐵福民站段的平面如圖1所示。

如圖2所示，下穿段施工工序為：拆除7號線福民站端頭洞口地連墻→①部注漿、開挖支護→拆除4號線福民站東端隧道地連墻→②部注漿、開挖支護→拆除4號線福民站西端隧道地連墻→③部注漿、開挖支護→分段二襯施工。下穿段地層超前加固雙液漿，加固范圍為隧道間及輪廓線外3 m，注漿段長6 m，每段開挖長度4 m，預(yù)留2 m止?jié){段。下穿段隧洞采用CRD四步暗挖法進行施工，右線全部二襯施工完成后，開始進行左線隧道的施工。CRD四步法每步間隔距離4 m，開挖初支完成后再進行二襯施工。

圖1 下穿區(qū)間位置關(guān)系圖

圖2 下穿段施工步序示意圖

2 數(shù)值模擬

擬通過FLAC3D數(shù)值軟件進行三維模擬，為減小邊界效應(yīng)影響，模型大小取為280 m×200 m×60 m，根據(jù)實際工程資料，各層地層厚度為：5 m，5 m，6 m，14 m，20 m，文中暫不考慮地下水位影響。車站為雙層結(jié)構(gòu)，層高依次為4.6 m、5.9 m，頂板、一層底板、二層底板厚度分別為0.8 m、0.4 m、0.9 m，層間支撐截面為1.1 m×1.1 m立柱，通過Beam單元進行模擬，其余土體與車站均通過實體單元模擬，模型單元數(shù)11 972，節(jié)點數(shù)44 333。模型見圖3。

2.1 數(shù)值計算方法

模擬中通過實體單元對車站結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)、土體進行模擬。下穿隧道施工模擬通過生死單元進行。數(shù)值計算方法如下：

(1) 模型的上邊界取為地表自由邊界，前、后、左、右以及下邊界上均施加法向約束。

(2) 為準確模擬下穿段施工實際狀況，7號線下穿段之外隧道簡化為已建成雙線圓形隧道。隧道下穿段矩形隧道開挖采用分步開挖方式，開挖斷面分為四個部分，進行全斷面注漿加固后，依次開挖并使用型鋼格柵作為臨時支護，之后拆除臨時支護施作二襯結(jié)構(gòu)，待變形穩(wěn)定后拆除中立柱支撐完成開挖。

圖3 數(shù)值模型

(3) 隧道初期支護通過實體單元模擬，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系，二次襯砌采用殼單元模擬，設(shè)定方形隧道截面邊緣外3 m為注漿加固區(qū)，如圖4所示，由于車站結(jié)構(gòu)大多為混凝土筑造，因而采用實體單元模擬。

2.2 計算參數(shù)

進行計算時，地層本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ虒嶋H經(jīng)驗彈性模量E取為壓縮模量Es的兩倍進行計算。

福民地鐵車站結(jié)構(gòu)各部位所使用材料見表1。

圖4 數(shù)值模型剖面圖表1 福民地鐵車站結(jié)構(gòu)材料表

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，根據(jù)地質(zhì)資料，地層分為5層，注漿加固區(qū)采用摩爾-庫侖模型，具體參數(shù)參考類似工程賦予。地基及其他結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 地層及其他結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

施工順序：隧道采用雙向開挖，首先進行右線，待右線開挖后左線開始施工，右線首先由車站結(jié)構(gòu)東側(cè)向西側(cè)開挖，再從對側(cè)開挖至貫通，同時進行左線隧道施工，施工方向從兩端向中間，詳見表3。

2.3 計算結(jié)果分析

為了清楚說明車站站廳層板結(jié)構(gòu)的變形過程，給出各施工階段主體結(jié)構(gòu)位移場分布云圖，如圖5所示。

表3 模擬施工步與工況對應(yīng)情況

圖5 車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

由于下穿施工工序較多，車站結(jié)構(gòu)變形過程較為復(fù)雜。最初開挖穿過車站東側(cè)地連墻，此時車站底板沉降呈正態(tài)分布，雙線隧道中線處沉降最大，約為0.53 mm，而后隨開挖進行沉降主要發(fā)生在當(dāng)前開挖隧道上方底板，沉降發(fā)育呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，右線隧道開挖貫通后，隧道上方沉降值達到3.14 mm，之后隨左線進一步開挖，底板變形有所緩和。

同時隧道開挖土體卸荷回彈致使隧道兩側(cè)土體產(chǎn)生隆起，隆起主要發(fā)育部位為土體上方底板與東西兩側(cè)地連墻相接處，隆起數(shù)值較大。下穿隧道施工的整個過程中隆起值發(fā)育較為緩慢，初始開挖時，底板與東側(cè)地連墻相接處出現(xiàn)隆起，隆起量接近10 mm，而后隨開挖進行，隆起值緩慢增長，隆起范圍無明顯變化，至右線隧道從西側(cè)3序開挖，西側(cè)地連墻處出現(xiàn)隆起，分布范圍與增長趨勢與東側(cè)相似。

此外，各出入口處產(chǎn)生輕微沉降，沉降值最大值約為2.29 mm，且隨隧道施工進行進一步減小，車站負二層底板結(jié)構(gòu)其他位置主要以隆起為主，隆起量較小，低于警戒值5 mm，整體變形趨勢為靠近樓板內(nèi)側(cè)處隆起值較大，靠近邊緣處隆起值較小，車站結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中部隆起邊緣沉降的變形趨勢。車站其余兩層樓板結(jié)構(gòu)變形趨勢與底板相似，但數(shù)值較小，變形數(shù)值約為1 mm左右。

為研究施工過程對車站結(jié)構(gòu)正常運營的影響，還應(yīng)對車站主體結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力分布規(guī)律進行分析。圖6分別給出了既有福民站下穿隧道施工完成后各層樓板結(jié)構(gòu)的最大、最小應(yīng)力分布云圖，單位為Pa。

圖6 下穿施工完成后車站樓板主應(yīng)力云圖

隧道開挖完成后，各層樓板最大主應(yīng)力在-0.59 MPa～4.64 MPa范圍內(nèi)，已經(jīng)超過C35混凝土抗拉強度2.2 MPa，但超出幅度尚可，且受力超出的區(qū)域范圍很小，主要考慮為應(yīng)力集中所致。最大拉應(yīng)力主要分布在雙線隧道上方車站底板處，其中底板與側(cè)壁交接部分所受拉應(yīng)力要大于底板內(nèi)側(cè)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在雙線隧道下穿段的四個邊角上方。車站底板除下穿段對應(yīng)部分外，其余部分所受拉應(yīng)力不超過2.0 MPa，距離下穿段較遠處結(jié)構(gòu)受力以受壓為主。對車站1層底板與車站頂板，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在樓板東南側(cè)與側(cè)壁交接的邊緣處，最大拉應(yīng)力為2.61 MPa，其余樓板部分主要受壓，滿足受力要求。最小主應(yīng)力方面，各層樓板最小主應(yīng)力在-6.29 MPa～-0.057 MPa之間，整體結(jié)構(gòu)承受壓應(yīng)力，無結(jié)構(gòu)受拉，能夠滿足受力的要求，承受壓應(yīng)力最大的部位在車站頂板的中部。

3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測點布置

為保證施工安全，針對地鐵福民站受下穿施工影響區(qū)域左右線SSK1+593—SSK1+673里程范圍內(nèi)監(jiān)測，監(jiān)測斷面布置如圖7所示，監(jiān)測點位共布置在22個斷面上，每個斷面3個測點，分布在車站側(cè)壁與軌道道床位置。

圖7 監(jiān)測斷面圖

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

依據(jù)已有監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行結(jié)構(gòu)變形分析。根據(jù)監(jiān)測斷面圖8、圖9可知，監(jiān)測斷面沿既有車站延伸方向布置，下穿右線隧道主要穿越L4、L5、R4、R5測點斷面，下穿左線隧道主要穿越L7、L8、R7、R8測點斷面，左右線隧道中部為L6、R6測點斷面，其余測點位于隧道外側(cè)。

(1) 7號線右線施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。右線開挖由東向西進行至地連墻處，再從對向開挖，因此首先對測點L4—L5與R4—R5進行分析，其高程累計變化曲線如圖8所示，圖8(a)為R4、R5測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要反映了右線隧道上方車站結(jié)構(gòu)高程變化情況，測點出車站結(jié)構(gòu)自1月開始發(fā)生隆起，總體變化趨勢較為相似，隨開挖進行隆起有所降低，其中R5-1、R4-1兩個測點處結(jié)構(gòu)高程相對較低。

圖8(b)為L4—L5監(jiān)測點高程變化情況，其數(shù)值顯著變化發(fā)生在2月份左右，滯后R4—R5監(jiān)測點1個月左右，這與由東向西的施工順序是相符的。L4—L5測點中，拱腰處測點L4-1、L5-1，3月—4月期間沉降變形發(fā)育速度呈現(xiàn)顯著上漲趨勢，最大變形值超過-13 mm。其他監(jiān)測斷面上的測點則表現(xiàn)出較大隆起趨勢。

(2) 7號線左線施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。下穿段左線施工在右線由東向西施工至地連墻處開始，其順序為從兩端向中間開挖。圖9為下穿段左線高程累計變化曲線，R7—R8各測點于1月份開始產(chǎn)生一定隆起，2月份之后測點開始產(chǎn)生下沉，此時左線開始施工，右線隧道由東向西開挖至地連墻；2月左線開挖至地連墻相近位置，此時L7與L8測點產(chǎn)生下沉。4月份開始，左線上方L7、L8、R7、R8測點處開始顯著隆起，變形數(shù)值達13 mm，發(fā)育較快。之后東西向施工繼續(xù)進行，因與L7、L8距離較遠，測點位置產(chǎn)生輕微抬升，變形值約為5 mm。

通過對比圖7與圖8(b)曲線圖可知，5月—7月份L側(cè)測點變化趨勢較為近似，其中左線隧道上方測點變化曲線更為明顯，考慮到施工進度及5月份前L側(cè)測點變化曲線，分析認為這一趨勢變化主要受左線隧道施工影響，影響程度與測點至掌子面距離負相關(guān)。

圖8 右線上方測點高程變化

圖9 左線上方測點高程變化

4 結(jié) 論

(1) 針對近接隧道下穿既有車站工程，采用數(shù)值模擬分析近接施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響量及范圍是有效且必要的。

(2) 在隧道下穿既有車站的施工過程中，由于土體損失等原因，隧道上方對應(yīng)底板位置產(chǎn)生輕微沉降，且沉降范圍隨開挖延伸，沉降數(shù)值較小，發(fā)育平緩。同時由于開挖卸荷，隧道上方兩側(cè)土體產(chǎn)生較大隆起，反應(yīng)至車站底板，隆起主要集中于底板與兩側(cè)地連墻相接處，隆起值較大，超過警戒值。

(3) 下穿施工完成后，車站結(jié)構(gòu)主應(yīng)力主要以受壓為主，雙線隧道上方部分底板結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力承受拉應(yīng)力，數(shù)值較大，但影響范圍較小，考慮為應(yīng)力集中所致。

(4) 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，隧道上方位置底板位置附近，隨施工進行出現(xiàn)較大隆起，且隆起發(fā)生于該斷面施工時期，模擬結(jié)論與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果相符。

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Deformation Analysis of Existing Subway Station Influenced by Newly-built Tunnel Passing Underneath it in “Zero Distance”

WU Haotian1, WU Ke2, ZHANG Wen1, WANG Yajun1, YU Yalin2, LI Guangyong3

(1.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchInstitute,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250061,China;2.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250061,China;3.ShandongBeiteResearchInstituteofBuildingScience,Jinan,Shandong250061,China)

Along with the rapid development of subway projects, underpass projects are increasing rapidly, therefore how to forecast and control the influence of underpass projects to existing structures and ensure there operation have become an important issue. Based on the project of Shenzhen Metro 7th line passing underneath the existing Fumin station in “zero distance”, this paper analyzed the influence degree and scope of underpass project to existing structure through numerical simulation and monitoring analysis methods. The results show that the whole station structure emerges slightly raised trend, while large deformation occurs on floor which is above the newly-built tunnel, and the monitoring data shows the same thing. The station structure mainly bear compression stress, while the portion that connect with tunnel bear tension of major principal stress. It is effective to forecast the influence of tunnel construction through comparison analysis of numerical simulation and monitoring data which could provide reference for similar projects.

Shenzhen subway; underpass project; subway station; numerical simulation; monitoring analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.029

2016-12-13

2017-02-07

吳昊天(1990—)，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為隧道工程。E-mail:wht0531@foxmail.com

U

A

1672—1144(2017)02—0151—06