地鐵暗挖車站近接既有結構施工響應分析

扈士琰

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京100025)

近接既有地下結構的主要風險來自施工過程對既有結構影響［1－4］。多位學者對地鐵車站、區間近接既有結構進行了相關研究，得出了一些有益結論［5－10］。本文選取北京地鐵15號線奧林匹克公園站近接既有隧道結構為依托，針對北京地區砂性土與粘性土互層的地質條件，采用三維數值計算與現場實測對暗挖車站近距離近接既有隧道結構進行動態模擬，分別從近接施工引發的地表沉降、既有隧道結構豎向位移的角度對施工擾動效應進行分析，研究現有開挖方式與支護參數條件下近接既有結構的安全性，為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程背景

暗挖車站結構寬 25.5 m，高 16.2 m，長126 m，采用8導洞開挖。暗挖車站施工前，已經對洞周圍巖進行降水，所以不考慮地下水的作用。暗挖車站近接既有結構剖面關系如圖1所示。

暗挖車站近接既有隧道結構施工步序:

(1)開挖小導洞前超前加固洞周地層。

(2)先開挖導洞1、4，然后開挖導洞2、3，兩者錯距5 m，導洞支護后施作車站結構兩側鉆孔灌注樁及樁頂冠梁。

(3)先開挖導洞5、8，然后開挖導洞6、7，兩者錯距5 m，導洞支護后施作車站結構兩側鉆孔灌注樁。

(4)在導洞1、4內施作樁頂冠梁并回填，同時施作鋼管樁。

(5)開挖車站頂板上部土體，施作車站頂板。

(6)開挖站廳層下部土體，并施作車站中樓板及側墻。

(7)開挖車站下部土體，施作車站底板及側墻，封閉車站結構。

2 計算模型的建立

2.1 計算模型的建立

以北京地鐵15號線奧林匹克公園站近接既有結構為依托，地下結構開挖只會影響周邊一定范圍內的土體，計算模型邊界范圍:選取暗挖車站寬度方向為x軸，數值為125 m;選取暗挖車站長度方向為y軸，數值為45 m;選取土層重力方向為z軸，數值為85 m。根據勘察單位提供的資料，區域內地層自上而下可分為6層，暗挖車站近接既有結構共有40 226個節點、10 320個單元。計算模型網格劃分如圖2所示。

暗挖車站近接既有隧道結構計算模型采用位移邊界條件:兩側約束水平位移，底部約束豎向位移，頂部為自由邊界。

2.2 計算參數的確定

計算模型遵循如下基本假定:

(1)區域內地層服從Drucker－Prager彈塑性屈服準則;車站與既有隧道結構服從理想線彈性本構模型。

(2)各地層近似層狀分布。

(3)不考慮地下水與構造應力的影響。

區域內地層物理力學參數如表1所示。

鋼筋混凝土結構采用理想線彈性模型，彈性模量為 25.5 GPa，泊松比為 0.2。

表1 圍巖力學參數Tab.1 Mechanical parameters of surrounding rock mass

3 近接既有結構計算分析

選取計算模型y軸中間斷面為重點研究對象，分別從近接施工引發的地表沉降、既有隧道結構豎向位移及各階段既有隧道結構強度檢算的角度，對地鐵暗挖車站近接既有結構施工響應進行數值分析。

3.1 地表沉降

暗挖車站近接既有結構施工引發的地表沉降是表征土建施工對環境影響的重要指標，特別是對于建筑物密集分布、交通繁忙、管線較多的中心城區。

圖3為地鐵暗挖車站施工引發地表沉降曲線，可得以下結論:

(1)暗挖車站導洞2、3開挖引發地表沉降占最終位移值的41.9%，所占比例最大;導洞1、4開挖引發地表沉降所占次之，比例數值為27.4%。

(2)由計算結果可得，上部導洞開挖引發的地表沉降比例達到69.3%，因此成為暗挖車站近接既有結構的關鍵步序，應超前注漿加固洞周地層，縮短開挖進尺，及時施作樁頂冠梁及鋼管柱，增大車站結構的豎向剛度。

(3)暗挖車站近接既有隧道結構引發的地表沉降最大值出現在車站中線部位，影響范圍為車站中線兩側約40 m。

3.2 既有隧道結構豎向位移

暗挖車站施工引發既有結構變形，既有隧道結構的豎向位移成為近接施工響應的重要評價指標。

圖4為暗挖車站不同施工階段既有隧道結構位移云圖，可得以下結論:

(1)既有隧道結構豎向位移變化值最大發生在開挖導洞2、3階段，位于新建車站中線上方最大值為8.37 mm;

(2)暗挖車站施工完成后，既有隧道結構豎向位移最大值為11.2 mm，滿足《城市橋梁養護技術規范》安全要求，說明現行開挖方法與支護參數條件下，地鐵暗挖車站近接施工可以確保既有結構安全運營。

圖5為地鐵暗挖車站施工引發既有隧道結構豎向位移，可得以下結論:

(1)暗挖車站導洞2、3開挖引發既有隧道結構豎向位移所占比例最大，這與地表沉降規律一致。

(2)暗挖車站導洞1、4時，既有隧道結構底板下中部土體有一定范圍的隆起變形，建議導洞1、4與2、3錯距開挖，減小開挖進尺。

4 現場實測對比

選取地鐵車站中線上方地表測點進行地表沉降跟蹤監測，與數值計算結果進行對比，如表3所示［9－10］。

表3 地表沉降分階段控制Tab.3 The ground settlement control by stage

由表3可得地鐵車站中線上方地表沉降變形規律:暗挖車站導洞2、3開挖引發地表沉降占最終位移值的41.4%，所占比例最大;導洞1、4開挖引發地表沉降所占次之，比例數值為26.9%，這與數值計算結果基本吻合。

5 結論

1)暗挖車站導洞2、3開挖引發地表沉降占最終位移值的41.9%，導洞1、4開挖引發地表沉降為27.4%，上部導洞開挖成為暗挖車站近接既有結構的關鍵步序。

2)上部小導洞開挖應超前注漿加固洞周地層，縮短開挖進尺，及時施作樁頂冠梁及鋼管柱，增大車站結構的豎向剛度。

3)暗挖車站近接既有隧道結構引發的地表沉降最大值出現在車站中線部位，影響范圍為車站中線兩側約40 m。

4)暗挖車站施工完成后，既有隧道結構豎向位移最大值為11.06 mm，滿足《城市橋梁養護技術規范》安全要求。

5)暗挖車站導洞1、4時，既有隧道結構底板下中部土體有一定范圍的隆起變形，建議導洞1、4與2、3錯距開挖，減小開挖進尺。

6)通過不同施工階段彎矩對比，在暗挖車站下結構施工擾動條件下，近接既有結構滿足結構強度安全要求。

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