隧道穿越工程對既有車站沉降影響分析

李 磊，萬 文

(湖南科技大學 土木工程學院， 湖南 湘潭市 411201)

隧道穿越工程對既有車站沉降影響分析

李 磊，萬 文

(湖南科技大學 土木工程學院， 湖南 湘潭市 411201)

隨著地鐵建設的發展，隧道施工下穿既有線路結構的現象越來越多。由于地鐵隧道的開挖，會引起附近結構或周邊建筑發生變形，對這類工程風險和沉降進行合理的預測和評估是十分必要的。武漢地鐵6號線下穿2號線常青花園站預埋段工程是在既有地鐵車站下方采用礦山法施工的地鐵區間隧道，通過對隧道開挖引起的既有車站結構變形數據和地表沉降數據進行分析，得出沉降曲線參數的取值，并分別考慮結構剛度、隧道埋深等對既有車站結構沉降的影響。

隧道；既有結構；沉降槽

0 引 言

從空間位置來看，新建地鐵穿越工程分為上穿、下穿、側穿，其中難度最大、風險最高的為下穿工程，本文以武漢地鐵6號線下穿2號線常青花園站預埋段工程為背景，在了解現場調查的基礎上，對既有2號線車站結構底板的沉降監測資料進行分析沉降，為今后相似工程提供一定的依據。

1 工程概況

武漢市軌道交通6號線常青花園站-工業學院站區間沿常青花園中路下穿地鐵2號線常青花園站。常青花園站位于常青花園的花園中路北側，與花園中路斜交。車站長194.3 m，寬18.9 m，，基坑底部位于粘土層和粘土夾粉土、粉砂層中，總體建筑面積8931.3 m2。車站為地下一層島式站臺，地面為車站站廳房屋。

本工程為6號線下穿2號線常青花園站預埋段工程。右線礦山法暗挖區間隧道里程為右K0+115.000～右K0+167.550，長為52.550 m；左線礦山法暗挖區間隧道里程為左K0+115.000～左K0+181.000，長66.000 m，如圖1所示。隧道與上部車站結構二者之間的凈距為6.526～6.626 m。隧道左、右線所處地層為：層粘土夾粉土、粉砂、粉細砂混粘性土、小礫石、粉細砂混粘性土、礫卵石。

圖1 新建6號線隧道與既有2號線車站的平面位置

2 既有結構沉降分析

2.1 天然地表沉降分布特性

Peck教授在對大量隧道施工引起的隧道橫向沉降進行了一系列分析，提出了天然地表沉降曲線,一般習慣稱之為“沉降槽”，可以通過Peck公式來描述[1]：

(1)

式中：s為地面上任一點的沉降值；A為隧道的開挖面積；y為從隧道中心對應的地面點到所計算點的距離；V1為地層損失率，即地表沉降槽面積與隧道開挖面積A之比，主要與工程所在地地質情況、水文地質情況、隧道施工方法、施工技術以及工程管理經驗等因素有關；i為從沉降曲線對稱中心到曲線拐點的距離，一般稱之為沉降槽寬度。

2.2 既有結構沉降分析

圖2給出了既有地鐵車站結構左右線累計沉降曲線，從圖2所示的實測曲線可以看出，地鐵車站底板結構的變形呈現出和天然地表沉降類似的沉降規律，既有線結構縱向上的沉降分布大致呈現出沉降槽的樣子，隧道左右線的最大沉降分別為-17.06 mm和-13.71 mm，但是可以看出最大沉降位置一個是在562測點附近，而另外一個則是在573測點附近。結合監測點位布置情況，可以發現，沉降最大處均位于新建雙向隧道的中隔部分，因此，對于本工程，可以考慮距離新建較近的兩條隧道引起的車站底板沉降大體與等效半徑為R[2]的單體隧道引起的沉降相當。等效半徑R可以表示為：

用實驗方法分析待測純銅樣品中Fe、Zn、As、Sn、Sb、Pb、Bi，平行測定6次。根據各元素豐度和基體元素的信號值，用歸一化法計算出各元素的含量并用表2所得的相對靈敏度因子進行校正，結果見表4。由表4可知，測得結果的相對標準偏差(RSD，n=6)為6.6%～26%。

R=r+d/2

(2)

式中：r為新建隧道隧道半徑；d為兩條隧道的凈距。

如果采用一般的Peck沉降公式來計算，會發現跟實測曲線有很大的出入，根據普通沉降Peck公式，可以估算到普通Peck公式計算的最大沉降值遠遠大于實際測量值，而采用高斯公式來擬合實測沉降曲線，則可以得到一個較為吻合的結果,擬合曲線的部分參數見表1。

表1 高斯函數擬合曲線的部分參數

注：z0為新建隧道埋深，z為既有結構沉降處埋深，smax為最大沉降值，K為沉降槽寬度參數。

3 既有結構沉降影響因素分析

3.1 隧道埋深對既有結構的影響

一般來說，不同埋深的同類型隧道對于周邊結構物的影響程度是不一樣的。韓煊等人基于Mair等人的一系列研究，提出了修正的Mair，可以考慮到既有隧道結構埋深的影響程度。該公式的一般表達式為[3]：

(3)

式中：a為考慮土層土質情況的參數，取值范圍為0～1。由于本工程所處地層主要為黏土層，在沒有其他地區的情況下，可以取為0.65。

對于本工程,由式(3)可以得出，隧道埋深對于隧道沉降槽寬度系數K的修正值為2.1。

3.2 既有車站結構剛度對沉降的影響

由表1可以發現,K值分別達到了1.09和1.35。但是天然地表沉降槽寬度參數一般在0.3～0.6[5]之間，K值較天然地表情況有了明顯增大。可以看出，盡管既有結構物與地層之間的作用關系繁雜，沉降機理十分復雜，但是僅從既有結構的沉降結果監測情況來看，基本還是符合高斯分布特征曲線，其與一般天然地表沉降的Peck公式的主要區別在于既有車站結構剛度影響了沉降槽寬度系數K。但是其中具體的沉降影響程度還有待進一步的研究。

3.3 施工狀況對沉降的影響

本工程主體采用CRD法開挖，結構拱部設置超前大管棚，采用非開挖鋪管技術在橫通道內施作，需在橫通道鋼格柵中預埋套管；管棚選用Φ159的熱軋鋼管，t=10 mm，外插角1°～2°,環向間距0.3 m，鋼管內灌注水泥砂漿；管棚間插小導管，環向間距0.3 m，與管棚間隔布置，第一組間插超前小導管在橫通道內施作。小導管選用Φ42 mm的熱軋鋼管，t=3.5 mm，長度3.5 m，外插角5°～15°，每兩鋼格柵打設一排，管壁每隔100～200 mm交錯鉆眼，眼孔直徑6～8 mm。注漿漿液優先選用水泥-水玻璃雙漿液，漿液配合比應由現場試驗確定，并根據圍巖條件控制好注漿壓力(0.5～0.8 MPa)，要求加固體直徑不小于0.5 m。為防止漿液外漏，必要時可在孔口處設置止漿塞。

從表1中可以看出，左、右線高斯擬合出來的地層損失率均較大，這是由于本工程所影響地層主要是強度低的粘土和淤泥層，且采用人工開挖，開挖后未能及時支護，因而地層損失較大。而右線相對于左線地層損失率變化較為明顯，且右線最大沉降值較左線最大沉降值增大了3.35 mm，究其原因，在新建隧道開挖過程中，首先通過的是既有地鐵結構的右線，在通過的過程中，新建隧道右線發生隧道小股漏水現象，持續約2周左右，導致施工停滯，在此期間，漏水現象一直存在，且未及時采取相關措施處理，導致既有車站結構右線地層損失率明顯大于左線，從而造成既有結構右線沉降較左線較大。

3.4 既有車站結構和新建隧道夾角對沉降的影響

本工程新建隧道與既有車站結構存在一定的夾角，所以需要考慮地層損失率的修正。存在一定夾角的沉降槽仍是高斯分布，但是地層損失率相對于垂直的情況會有所不同，考慮到夾角的地層損失率修正系數λα，可以由下面的公式[4]得出：

本工程中隧道之間的夾角為48.03°，即夾角影響下的地層損失修正值λα為1.49。

(4)

4 結 論

就目前來說，全國地鐵建設進入了一個繁榮期，新建隧道下穿既有結構的情況時有發生。本文以武漢地鐵6號線下穿2號線常青花園站預埋段工程為背景，結合既有2號線車站結構的沉降監測資料，得出以下3條結論。

(1) 盡管穿越工程施工過程繁雜，施工工藝要求高，各種影響因素較多，但是可以發現，既有地鐵車站結構受下部隧道施工影響下的沉降曲線還是符合高斯函數分布，相對于Peck公式的改變僅僅只是一些參數取值上的不同，總的形式還是與Peck公式沉降槽形式較為吻合。

(2) 在穿越工程，應特別注意施工方法的選取以及對于現場情況的及時處理，遇突發狀況及時采取有效的處理措施對于地表沉降有較大控制作用。

(3) 穿越工程中，對既有結構沉降值影響的因素較多，各個因素對于沉降值的影響程度也不盡相同，本文通過對各類因素的分析，得出影響本工程沉降曲線的一些因素的影響程度，為今后的此類工程提供了一定的借鑒作用。

[1] Peck R B. Deep excavations andtunneling in soft ground [C]//Proceedings of the 7th International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico,1969:225-290

[2] 金平貴. 已建地下商業街結構與下部地鐵隧道施工相互影響分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2009

[3] 韓 煊,李 寧,standing J R. 地鐵隧道施工引起地層位移規律探討[J]. 巖土力學，2007，28(3)：609-613.

[4] 韓 煊,劉赪煒,Jamie R,Standing. 隧道下穿既有線的案例分析與沉降分析方法[J]. 土木工程學報,2012(01):134-141.

[5] 韓 煊,李 寧,J.R.Standing. Peck公式在我國隧道施工地面變形預測中的適用性分析[J]. 巖土力學,2007(01):23-28，35.

2013-09-17)