盾構下穿北京地鐵13號線望京西站站房基礎變形及數值分析

張文正

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

近年來，隨著城市地鐵的發展，地鐵區間隧道下穿既有構筑物的情形越來越多。如深圳地鐵5號線工程穿越廣深高速公路立交橋［1］，南水北調團城湖至第九水廠北京段輸水工程盾構下穿地鐵13號線清河高架橋［2］，上海地鐵2號線人民公園站—河南中路站上、下行線區間盾構隧道在地鐵1號線運營隧道下方通過［3］。

針對盾構隧道下穿施工對既有構筑物的影響，許多學者和專家都進行了研究。郭慶昊等［4］以盾構下穿北京地鐵4號線宣武門車站為例，分析了車站底板的受力、變形和穩定性情況，以及盾構施工對上層車站結構、地表的豎向沉降和整體安全性的影響;王法等［3］以北京某盾構隧道接近下穿既有車站為例，采用三維有限差分計算軟件FLAC進行了數值模擬，預測盾構隧道施工后既有地鐵車站的變形，為臨近既有車站的安全評估工作提供了依據;在盾構隧道施工引起既有結構和地表位移的研究中，以美國科學家Peck于1969年提出的高斯方程［5－6］最為簡便，也是目前運用最廣泛的方法。但是，這些學者和專家只是從宏觀角度對既有車站結構進行了分析，未從微觀角度對軌道結構，特別是對鋼軌位移進行分析;而且，他們所作的研究也沒有相應的監測數據作為支撐。

本文結合北京地鐵15號線關莊站—望京西站區間盾構隧道下穿既有13號線望京西站站房基礎的工程實例，運用ANSYS有限元分析軟件建立三維有限元仿真模型［7－8］。從微觀角度分析盾構穿越過程中既有13號線望京西站站房基礎結構、相鄰基礎間的差異沉降和軌道結構的變形規律;結合既有結構的監測數據，驗證有限元分析軟件的正確性，并判斷既有結構的安全性及運營狀況。

1 工程概況

新建北京地鐵15號線關莊站—望京西站盾構區間為雙線盾構隧道，盾構外徑為6 m，內徑為5.4 m，厚度為0.3 m，環片寬度為1.2 m，埋深約為12 m。2條隧道中心線之間的距離為12.73～15.22 m，平面線型為曲線，右線圓曲線半徑R=800 m，與既有13號線望京西站站房基礎之間的凈距為8.5 m。新建工程與既有望京西站平面圖如圖1所示。

圖1 新建工程與既有望京西站平面圖(單位:m)Fig.1 Plan sketch of shield-bored tunnel and existing Wangjingxi station(m)

盾構隧道穿越前對土體進行注漿加固，減小施工對既有結構的影響。注漿加固范圍為:盾構頂板以上2 m、橫斷面3 m范圍內的土體，長度為34.4 m，如圖2所示。

根據北京地鐵15號線一期工程關莊站—望京西站區間巖土工程勘察報告(以下簡稱“地勘報告”)，盾構穿越處地層如圖3所示。

圖2 注漿加固范圍(單位:mm)Fig.2 Scope of grouting reinforcement(mm)

既有北京地鐵13號線望京西站站房為地上2層框架結構，基礎為柱下獨立基礎，基礎總寬度為33.8 m，由5 排基礎組成，寬度依次為 4.4，6.1，5.6，6.1，4.5 m，它們之間的凈距依次為3.5，2.45，2.45，3.5 m，基礎底板埋深約為4 m。站內軌道為C30混凝土整體道床，道床底板埋深約為1.365 m。站房基礎縱斷面如圖4所示。

2 數值計算模型

2.1 模型參數的選取

根據地勘報告可知，注漿加固范圍內土層主要為粉質黏土和粉細砂，注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa。注漿后各地層參數如表1所示，新建盾構隧道和既有望京西站站房基礎的技術參數如表2所示。

2.2 計算模型的范圍

本次計算采用ANSYS有限元分析軟件，建立地層－結構三維實體模型［6］。根據盾構施工的影響范圍，模型長度取130 m，寬度取80 m，高度為重力方向，取50 m。模型中包括既有13號線望京西站站房基礎、道床結構、土體、注漿加固土體和新建盾構隧道，周圍土體(包括注漿加固區域)和既有站房基礎采用Solid45實體單元，盾構管片采用Shell63殼單元。模型頂面為地面，受重力作用，取自由邊界，不進行約束［7］。整體計算模型如圖5所示。

圖3 盾構穿越處地層(單位:m)Fig.3 Geological conditions(m)

圖4 站房基礎縱斷面圖(單位:mm)Fig.4 Longitudinal profile of foundation of existing Metro station(mm)

表1 土層參數表Table 1 Geotechnical parameters

表2 盾構、站房基礎和道床的技術參數表Table 2 Technical parameters of shield-bored tunnel，existing Metro station foundation and existing track

圖5 整體計算模型(單位:m)Fig.5 Calculation model(m)

站房基礎上部結構荷載被簡化為以重力的形式均勻地分布于地面，按照《北京市地鐵運營有限公司企業標準－技術標準/工務維修規則QB(J)/BDY(A)XL003—2009》的規定，均布荷載的大小為20 kPa［9］。站房基礎與注漿土體、盾構的位置關系如圖6所示。

圖6 新建結構與既有結構相對位置關系Fig.6 Relationship between shield-bored tunnel and existing structure

2.3 施工模擬工序

新建北京地鐵15號線關莊站—望京西站盾構區間隧道的施工方向從關莊站始發，到達望京西站，先掘進右線，再掘進左線。施工模擬工序分為10步進行，前5步模擬右線盾構隧道施工，掘進長度分別為20.4，14.4，9.6，14.4，20.4 m;后5 步模擬左線盾構隧道施工，掘進長度分別為 20.4，14.4，9.6，14.4，20.4 m。盾構隧道施工方向如圖7所示。

圖7 盾構隧道施工方向示意圖Fig.7 Shield tunneling direction

3 有限元計算結果及分析

新建15號線關莊站—望京西站區間盾構隧道施工前，對盾構隧道周圍一定范圍內的土體進行了注漿加固。為了解注漿加固的作用，運用數值分析比較未注漿和注漿2種工況下既有結構的變形。既有結構包括混凝土整體道床、鋼軌和站房基礎，整體道床與鋼軌示意圖如圖8所示。

圖8 整體道床與鋼軌示意圖Fig.8 Monolithic track bed and rails

3.1 混凝土整體道床變形結果

根據數值分析計算結果可知，在土體未注漿和注漿2種工況下，右線盾構和左線盾構施工完成后道床結構的累計豎向變形值和累計橫向變形值如表3所示。

表3 2種工況下道床結構變形Table 3 Deformation of track bed under the condition of grouting reinforcement and non grouting reinforcement mm

3.1.1 未注漿狀態下道床結構的變形

未注漿狀態下左、右線道床結構豎向變形和橫向變形云圖如圖9和圖10所示。

圖9 未注漿狀態下右線盾構施工完成后道床結構變形云圖Fig.9 Contour of deformation of track bed after the construction of the right shield-bored tunnel tube is completed under the condition of non grouting reinforcement

圖10 未注漿狀態下左線盾構施工完成后道床結構變形云圖Fig.10 Contour of deformation of track bed after the construction of the left shield-bored tunnel tube is completed under the condition of non grouting reinforcement

由圖9和圖10可知:累計豎向變形最大值發生在盾構穿越中心對應的道床處，橫向變形以穿越中心為對稱軸呈反對稱分布規律，道床兩端變形最大，方向相反，數值相差不大。

為便于直觀地了解道床結構的變形規律，將研究未注漿狀態下道床中線的變形，其變形曲線見圖11。

3.1.2 注漿狀態下道床結構的變形

注漿狀態下左、右線道床結構豎向變形和橫向變形云圖如圖12和圖13所示。道床中線變形曲線如圖14所示。

圖11 未注漿狀態下盾構施工后道床中線變形曲線Fig.11 Curves of vertical deformation along center line of track bed after the construction of the shield-bored tunnel is completed under the condition of non grouting reinforcement

圖12 注漿狀態下右線盾構施工完成后道床結構變形云圖Fig.12 Contour of deformation of track bed after the construction of the right shield-bored tunnel tube is completed under the condition of grouting reinforcement

圖13 注漿狀態下左線盾構施工完成后道床結構變形云圖Fig.13 Contour of deformation of track bed after the construction of the left shield-bored tunnel tube is completed under the condition of grouting reinforcement

圖14 注漿狀態下盾構施工后道床中線變形曲線Fig.14 Curves of vertical deformation along center line of track bed after the construction of the shield-bored tunnel is completed under the condition of grouting reinforcement

3.2 鋼軌變形規律

為便于研究盾構施工過程中鋼軌的變形規律，在13號線左線鋼軌1上選取特征點，分別為工程穿越中心、左線盾構和右線盾構穿越中心與既有13號線鋼軌1的交點，如圖15所示。15號線盾構隧道在掘進過程中，既有13號線鋼軌會產生一定振動，甚至會出現變形。

3.2.1 未注漿狀態下鋼軌的變形

未注漿狀態下，盾構施工時鋼軌的豎向變形曲線如圖16所示。

由圖16可知，鋼軌沉降量隨著盾構的推進不斷增大，在管片推進至第50環和第140環左右時，鋼軌的沉降速率達到最大，左線穿越完成后，鋼軌的沉降趨于穩定，大約穩定在6.4 mm。

未注漿狀態下，盾構施工時鋼軌的橫向變形曲線如圖17所示。

圖15 選取的鋼軌特征點Fig.15 Characteristic points of rail selected

圖16 未注漿狀態下盾構施工時鋼軌豎向變形曲線Fig.16 Curves of vertical deformation of rail when the shield is boring under the condition of non grouting reinforcement

圖17 未注漿狀態下盾構施工時鋼軌橫向變形曲線Fig.17 Curves of transverse deformation of rail when the shield is boring under the condition of non grouting reinforcement

由圖17可知，右線盾構施工時，鋼軌橫向變形呈“V”型;左線盾構施工時，鋼軌橫向變形呈“W”型。當管片推進至第50環和第140環左右時，鋼軌的2次橫向變形達到最大值，分別為0.775 mm和1.1 mm;此時，盾構正好處于穿越中心位置處，對鋼軌的影響最大。

3.2.2 注漿狀態下鋼軌的變形

注漿狀態下，盾構施工時鋼軌的豎向變形曲線如圖18所示。

由圖18可知，鋼軌在盾構施工過程中的豎向位移變化規律與未注漿狀態相似，但達到最終狀態時的沉降值變小，大約為2.8 mm。

注漿狀態下，盾構施工時鋼軌的橫向變形曲線如圖19所示。

由圖19可知，鋼軌在盾構施工過程中的橫向位移變化規律與未注漿狀態相似，但達到最終狀態時的變形值變小，大約為0.75 mm。

圖18 注漿狀態下盾構施工時鋼軌豎向變形曲線Fig.18 Curves of vertical deformation of rail when the shield is boring under the condition of grouting reinforcement

圖19 注漿狀態下盾構施工時鋼軌橫向變形曲線Fig.19 Curves of transverse deformation of rail when the shield is boring under the condition of grouting reinforcement

3.3 望京西站站房基礎變形結果

既有北京地鐵13號線望京西站站房為地上2層框架結構，基礎為柱下獨立基礎。為分析盾構施工對站房結構的影響，將站房基礎的最終沉降和相鄰基礎間的最大差異沉降作為考察指標。土體注漿和未注漿狀態下站房的變形結果如表4所示，站房基礎最終狀態變形云圖如圖20所示。

表4 既有站房基礎變形結果Table 4 Deformation of foundation of existing Metro station mm

圖20 站房基礎最終狀態變形云圖Fig.20 Contour of final deformation of foundation of existing Metro station

3.4 本章小結

3.4.1 基本結論

在土體注漿和未注漿狀況下，既有結構最終狀態的變形結果如表5所示。

表5 既有結構的變形結果Table 5 Deformation of existing structures mm

由表5可知，對盾構周圍土體進行注漿加固之后，盾構施工引起既有結構的變形明顯減小，注漿加固效果非常顯著;且在注漿加固狀態下，鋼軌的最大豎向變形值為2.8 mm，最大橫向變形值為0.75 mm，對軌道采取防護措施能保證地鐵的安全運營。施工對線路的影響范圍為:自穿越中心沿13號線軌道方向向兩側各外延40 m。

GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中，有關建筑物地基變形允許值的規定如表6所示［10］。根據既有13號線望京西站資料，站房基礎為地上2層框架結構，相鄰基礎最小中心距離為5.265 m，且站房基礎處地基是中、低壓縮性土，根據規范［10］，相鄰基礎間最大沉降差允許值為10.53 mm;而根據數值計算，在土體注漿加固狀態下，相鄰站房基礎間的最大差異沉降為1.145 mm。因此，在正常施工條件下，采取嚴格的監測措施，能保證既有望京西站站房基礎的安全。

表6 建筑物的地基允許變形值Table 6 Allowed deformation of foundation base of existing Metro station m

3.4.2 控制指標

監測控制指標的制定應依據其他類似工程經驗和現場監測數據［11］。在綜合考慮ANSYS三維有限元分析計算、《北京市地鐵運營有限公司企業標準－技術標準/工務維修規則 QB(J)/BDY(A)XL003—2009》和北京市地鐵運營有限公司對于下穿地鐵工程列車安全運營的有關規定，確定既有13號線望京西站結構變形的控制值，并將控制值的80%作為報警值，70%作為預警值。既有13號線望京西站地鐵結構的變形控制值如表7—11所示。

表7 站房基礎結構差異沉降變形控制值Table 7 Control value of differential settlement of foundation of existing Metro station mm

表8 軌道結構變形控制值Table 8 Control value of deformation of track structure mm

表9 單線穿越后軌道結構沉降變形控制值Table 9 Control value of settlement of track structure after the construction of one single shield-bored tunnel tube is completed mm

表10 軌道結構變形速率控制值Table 10 Controll value of deformation rate of track structure mm/d

盾構施工前，需對土體進行注漿加固，注漿時有可能會引起軌道結構上浮，因此，需要控制好注漿壓力。既有結構注漿上浮控制值如表11所示。

表11 注漿加固施工軌道結構變形控制值Table 11 Control value of deformation of track structure caused by grouting reinforcement mm

4 監測數據分析

4.1 監測內容與方法

本工程施工監測內容主要包括既有望京西站站房基礎及扶梯結構豎向變形、站房基礎結構差異沉降、軌道結構豎向變形監測及幾何形位的檢查。采用人工監測和自動化監測相結合，以自動化監測為主，人工監測為輔的監測方法［12－13］。本工程監測項目如表12和表13所示。

表12 望京西站站房基礎結構監測項目Table 12 Monitoring items of foundation of Wangjingxi station

表13 軌道結構監測項目Table 13 Monitoring items of track structure

13號線望京西站車站站房及扶梯結構豎向變形共布63個測點，軌道結構豎向變形共布64個測點。

4.2 監測結果分析

監測結果是在對土體進行注漿加固措施后得到的，主要包括站房及扶梯豎向位移、基礎結構差異沉降和軌道結構的豎向位移。

4.2.1 望京西站站房及扶梯結構豎向監測

豎向變形時程曲線如圖21和圖22所示。

由圖21和圖22可知:望京西站站房基礎和扶梯結構的最大豎向變形值可達到4 mm，相鄰站房基礎結構的最大差異沉降控制在5 mm之內，既有站房和扶梯結構是安全的。

4.2.2 望京西站站房基礎結構差異沉降監測

由北京地鐵15號線一期工程關莊站—望京西站下穿既有地鐵13號線望京西站站房結構差異沉降監測可知，相鄰基礎間結構最大累計變化量為1.7 mm，此變化量在相鄰基礎差異沉降控制值(5 mm)之內。

圖21 西站房及扶梯結構豎向變形時程曲線(2012—2013年)Fig.21 Vertical deformation of west foundation and escalator vs.time(from 2012 to 2013)

圖22 東站房及扶梯結構豎向變形時程曲線(2012—2013年)Fig.22 Vertical deformation of east foundation and escalator vs.time(from 2012 to 2013)

4.2.3 軌道結構豎向監測

豎向變形時程曲線如圖23和24所示。

由圖23和圖24可知:在2013年4月15日前，盾構隧道施工引起軌道結構的豎向變形基本控制在2 mm之內，未達到軌道結構變形的預警值;在2013年4月15日后，盾構隧道施工引起軌道結構的豎向變形接近4 mm，超過了軌道結構的控制值(3 mm)。軌道結構豎向變形產生突變的原因是由于盾構的超挖時間過長，導致土體應力釋放過大，造成盾構整體姿態下沉，從而使軌道結構的沉降產生突變。

圖23 下行軌道結構豎向變形時程曲線(2012—2013年)Fig.23 Vertical deformation of down-line track structure vs.time(from 2012 to 2013)

圖24 上行軌道結構豎向變形時程曲線(2012—2013年)Fig.24 Vertical deformation of up-line track structure vs.time(from 2012 to 2013)

4.2.4 數值模擬結果與監測數據的對比和分析

在土體注漿加固的情況下，ANSYS有限元分析軟件計算得出的既有結構豎向變形結果與監測結果比較如表14所示。

表14 有限元分析軟件計算結果與監測結果比較Table 14 Comparison and contrast between finite element analysis results and monitoring results mm

由表14可知，ANSYS有限元分析軟件與實際監測結果相差不大，保證了ANSYS有限元分析軟件的正確性。若在盾構隧道施工過程中采取嚴格的監測措施，并及時糾偏既有發生的較大變形，才能保證穿越工程的安全和順利實施。

5 結論與體會

在土體注漿加固和未注漿加固2種工況下，對盾構下穿13號線望京西站站房基礎施工進行了模擬計算，可以得出以下結論。

1)隨著盾構向前掘進，土體卸載引起土體應力釋放，使既有望京西站站房基礎和軌道結構都產生了一定程度的變形。通過對盾構與站房基礎間的土層進行注漿加固，能明顯減小盾構施工引起既有結構的變形。

2)在盾構推進過程中，既有站房基礎和軌道結構的沉降值隨著盾構推進會逐漸變大;當盾構位于既有結構正下方時，沉降速率達到最大。

3)對盾構上方土體采取注漿加固的措施，盾構施工時，既有結構的變形值較小。若在正常施工條件下，對既有結構采取嚴格的監測措施和應急措施，隧道施工就能夠保證既有結構的安全和正常運營。

本文的研究成果對今后盾構隧道下穿既有構筑物，特別是車站，具有一定的指導和借鑒意義。然而，由于對ANSYS有限元軟件知識的欠缺，故未對土倉壓力造成工作面前方土體及結構的隆起值進行模擬;且本文只對注漿加固這一種施工方法進行了模擬計算和分析，未對其他加固措施(如樁基托換技術等)進行分析。因此，本文的研究存在一定的局限性，有待后續技術人員不斷改進，并進行更深層次的研究。

［1］ 白偉，胡勇，張學民，等.深圳地鐵5號線下穿梅龍立交橋施工技術［J］.公路交通科技:應用技術版，2011(4):252－255.

［2］ 宋曉宇，劉濤，梁青槐.盾構下穿地鐵13號線清河高架橋地表沉降監測［J］.鐵道建筑，2011(6):70 －72，103.(SONG Xiaoyu，LIU Tao，LIANG Qinghuai.Monitoring of ground surface settlement induced by shield-driven tunnel passing under Qinghe river elevated bridge on Beijing Metro line No.13［J］.Railway Engineering，2011(6):70 － 72，103.(in Chinese))

［3］ 王法，陶連金，趙艷.盾構隧道近接下穿既有地鐵車站的數值模擬［J］.佳木斯大學學報:自然科學版，2009，27(2):48 － 51，55.(WANG Fa，TAO Lianjin，ZHAO Yan.Numerical simulation of shield tunnel passing under the existing subway station［J］.Journal of Jiamusi University:Natural Science Edition，2009，27(2):48 － 51，55.(in Chinese))

［4］ 郭慶昊，原文奎，張志勇.盾構法隧道下穿既有地鐵車站影響分析［J］.城市軌道交通研究，2008(11):55－58.(GUO Qinghao， YUAN Wenkui， ZHANG Zhiyong.Numerical analysis of the interaction between shield tunnel and the existing subway station［J］.Urban Mass Transit，2008(11):55 －58.(in Chinese))

［5］ 李宏安.北京地鐵10號線盾構下穿橋樁工程沉降計算公式的應用［C］//地下工程建設與環境和諧發展:第四屆中國國際隧道工程研討會文集.上海:中國土木工程學會，2009.

［6］ Jenck O，Dias D.3D-finite difference analysis of the interaction between concrete building and shallow tunneling［J］.Geotechnique，2004，54(8):519 －528.

［7］ 楊毅秋，張繼清.大直徑盾構下穿既有地鐵車站的施工模擬［J］.鐵道標準設計，2011(2):95 －98.(YANGYiqiu，ZHANG Jiqing.Simulation forconstruction with large diameter shield undergoing through existing Metro station［J］.Railway Standard Design，2011(2):95 －98.(in Chinese))

［8］ 李際港.盾構隧道下穿橋樁有限元模擬計算分析［J］.廣東建材，2011，27(3):32 －34.

［9］ 北京市地鐵運營有限公司.北京市地鐵運營有限公司企業標準－技術標準/工務維修規則(QB(J)/BDY(A)XL003—2009)［S］.北京:北京市地鐵運營有限公司標準化工作委員會，2009.

［10］ GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［11］ 王立軍，許俊偉.地鐵盾構隧道下穿既有橋梁異形板區沉降控制綜合技術［J］.隧道建設，2011，31(2):78 －85.(WANG Lijun，XU Junwei.Comprehensive technology for control of settlement of special-shaped plate zone:Case study on Metro tunnel crossing underneath existing bridge［J］.Tunnel Construction，2011，31(2):78 －85.(in Chinese))

［12］ 梅文勝，陳雪豐，周小波，等.盾構下穿既有隧道實時監測及其風險控制研究［J］.武漢大學學報:信息科學版，2011，36(8):45 －49.

［13］ 張曉麗.淺埋暗挖下穿既有地鐵構筑物關鍵技術研究與實踐［D］.北京:北京交通大學土木建筑工程學院，2007.