新建隧洞垂直下穿既有地鐵結構引起的沉降分析

黃昌富，田書廣，王艷輝，李建旺(.北京科技大學土木與環境工程學院，北京　0008;.中鐵十六局集團有限公司，北京　0008;.北京交通大學交通運輸學院，北京　00044)

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新建隧洞垂直下穿既有地鐵結構引起的沉降分析

黃昌富1，2，田書廣1，王艷輝3，李建旺2
(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083;2.中鐵十六局集團有限公司，北京100018;3.北京交通大學交通運輸學院，北京100044)

摘要:以新建污水隧洞下穿北京地鐵2號線工程為背景，建立三維數值模型研究列車荷載、不同開挖順序對既有結構沉降的影響以及不同埋深與最大沉降的關系。結果表明:考慮列車荷載后隧洞開挖引起的地鐵結構最大沉降1.62 mm，大于不考慮列車荷載引起的最大沉降0.54 mm;先開挖中洞引起的沉降小于先開挖側洞引起的沉降;各點的最大沉降值與埋深近似符合對數函數關系。最后將現場監測數據與數值計算結果進行了對比，兩者沉降規律、變形特點及沉降值基本一致，驗證了數值模擬預測的合理性。關鍵詞:既有地鐵近距離開挖隧洞數值模擬現場監測沉降

在隧道(洞)下穿工程中，尤其是下穿既有路面與地鐵結構時，保證既有線的正常運營是工程施工的出發點和基本目標，對既有路面與地鐵結構的影響達到最小是工程施工的最優目標。目前不少學者已經對新建隧道(洞)穿越既有結構引起的應力和應變規律作了大量研究。在上述研究的基礎上，本文將研究列車荷載、不同開挖順序對既有結構沉降的影響以及不同埋深與最大沉降的關系，從而采取有效施工措施保證新建隧洞的安全穿越。

新建污水隧洞(圖1)位于崇文門路口東北方、北京市第一二五中學東側，呈西北—東北走向，與北京站西街和地鐵2號線以90°夾角相交，同時下穿熱力、照明、雨水、電信、照明等管線10條。

圖1　新建污水隧洞示意

由于新建污水隧洞下穿北京站西街、地鐵2號線、10條管線，為保證既有線的安全與正常運營，研究新建污水隧洞施工下穿既有結構物的開挖效應，提出保證既有線運營安全的施工技術與變形控制措施具有十分重要的意義，也將為類似下穿工程的設計和施工提供參考。

1　工程概況

該新建污水隧洞從地鐵結構相鄰兩變形縫間穿過，總長38.309 m。其中，下穿地鐵段以平坡緊貼地鐵結構通過，長21.738 m;兩邊斜坡段長度分別為7.805 m和8.766 m，坡度均為41.42%。隧洞采用淺埋暗挖法施工，平頂直墻斷面。平坡段及北側斜坡段初支橫斷面分為3個2.2 m×1.9 m洞室。南側斜坡段要給地鐵下方土體超前注漿加固提供操作空間，兩側洞凈寬增加至3.2 m，中洞凈寬保持2.2 m不變;凈高則由1.9 m漸變為3.5 m。隧洞每個洞室分別安裝1根DN1000 mm鋼筋混凝土管道。3根管道中的2根為正常使用，另1根管道為備用。管道安裝完畢后，用鋼筋混凝土將管周隧洞填充密實。隧洞北側起點處設置進水井，井的平面凈空尺寸為8.0 m×4.5 m;南側終點處設置出水井，井的平面凈空尺寸為10.0 m×4.5 m，進出水井兼作施工豎井。

2　既有線區間隧道結構沉降控制標準

由于新建污水隧洞與既有線區間隧道結構底板之間為剛性接觸，如果施工中產生不均勻沉降有可能會危及結構及行車安全。結構的不均勻沉降主要會造成軌面下沉、結構裂縫開展、軌道三角坑等病害，因此對地鐵結構沉降的控制標準設定為:

1)結構變形≤2.5 mm，若變形縫兩端出現差異沉降則差異沉降≤2 mm。

2)軌面下沉≤2.5 mm，單線雙股軌道軌頂高差≤2 mm。

3)軌道結構縱向變形坡率≤1/2 500。

3　數值計算

3.1計算參數及模型構建

依據地層與既有地鐵結構實際情況，運用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維模型。在有限元計算中，應盡量減少有限元模型中邊界約束條件對計算結果產生的不利影響，盡量使邊界條件和實際情況相符，使分析的重點區域處于模型的中央部位，以減小邊界效應。考慮上述因素后，模型選取為地表往下32 m，垂直路面方向取110 m，沿路面方向取100 m，選擇德魯克—普拉格(Drucker-Prager)準則進行計算。計算參數見表1，三維實體與網格模型見圖2。

表1　計算參數

圖2　三維實體與網格模型

3.2結果與分析

3.2.1列車荷載對沉降的影響

由于新建污水隧洞垂直下穿既有地鐵2號線，因此分別模擬考慮列車荷載和不考慮列車荷載兩種情況下隧洞開挖對路面沉降的影響。

垂直路面測點沉降曲線見圖3。可以看出，新建隧洞開挖引起的路面沉降值由小到大分別對應中洞開挖、左洞開挖和右洞開挖，這與實際開挖順序是一致的。同時對于每一工況，開挖引起的路面沉降值靠近兩側豎井的要大于遠離豎井的，而且隧洞開挖對進水井的影響小于對出水井的影響。當不考慮列車荷載時，垂直路面測點最大沉降值為0.25 mm;考慮列車荷載后沉降規律與未考慮列車荷載時一致，但沉降值均大于未考慮列車荷載時，最大沉降值為1.25 mm，但都未超過沉降控制標準值。

圖3　垂直路面測點沉降曲線

路面中線測點沉降曲線見圖4。可以看出，對于路面中線測點，隨著隧洞開挖工序的進行路面沉降值逐漸增大，右洞開挖完成后沉降值達到最大。由于路面中線垂直新建隧洞，因此靠近新建隧洞位置沉降值最大，向道路兩側逐漸變小，不考慮列車荷載時最大值為0.17 mm，考慮列車荷載后沉降值均大于未考慮列車荷載時，最大值增大到0.85 mm，但均小于沉降控制標準值。

圖4　路面中線測點沉降曲線

地鐵中線測點沉降曲線見圖5。可以看出，對于地鐵結構中線測點，其沉降值大于路面中線測點的沉降值。這是由于地鐵結構更靠近新建隧洞，但沉降規律和路面沉降規律相同。不考慮列車荷載時地鐵結構最大沉降值為0.54 mm，考慮列車荷載后沉降值均大于未考慮列車荷載時，最大值增大到1.62 mm，但都滿足沉降控制要求。

圖5　地鐵中線測點沉降曲線

3.2.2開挖順序對沉降的影響

由于新建隧洞橫斷面為3個2.2 m×1.9 m洞室，因此在開挖的過程中應選擇合理的開挖方式，將對地層沉降及既有結構的影響降到最低。本文對以下兩種開挖順序進行數值模擬:①先開挖中洞，再開挖左右洞;②先開挖一側的邊洞，再開挖中洞，然后再開挖另一側的邊洞。模擬結果見圖6。

圖6　不同開挖順序時各測點的最大沉降值

由圖6可以看出:先開挖中洞引起的最大沉降值均小于先開挖側洞引起的最大沉降值;先開挖中洞引起的最大沉降值為0.54 mm，而先開挖側洞引起的最大沉降值為0.82 mm;不論采取哪種開挖方式，引起的沉降值均是路面中線測點最大沉降值最小，地鐵中線測點最大沉降值最大，垂直路面測點最大沉降值界于二者之間。這是因為地鐵結構測點距新建隧洞最近，而路面中線測點距新建隧洞最遠。

3.2.3新建隧洞開挖對不同埋深處最大沉降的影響

新建隧洞平坡段最大埋深為10.2 m。本文選取平坡段隧洞開挖5 m后垂直新建隧洞的橫斷面為數值分析斷面，選取新建隧洞正上方不同埋深處沉降最大的5個監測點作為研究對象。不同埋深處最大沉降擬合曲線見圖7。

圖7　不同埋深處最大沉降擬合曲線

由圖7可以看出，各點的最大沉降值與埋深近似呈對數函數分布，可表示為S =－0.167－0.245lnz。其中:S為對應各監測點的最大沉降值，mm;z為監測點埋深，m。z小于新建隧洞頂部結構最大埋深。這將為預測本工程任意深度處最大沉降值及類似工程沉降提供一定的理論依據。

4　沉降監測

將新建隧洞各工況的實測數據進行整理，與數值計算值對比于圖8。

圖8　各工況數值模擬值與實測值對比

由圖8可以看出，不論是垂直路面測點還是路面中線測點其在不同工況下數值模擬計算沉降值與實測值都比較接近。對于垂直路面測點其數值計算最大沉降值為0.25 mm，實測最大沉降值為0.30 mm，而路面中線測點數值計算最大沉降值為0.17 mm，實測最大沉降值為0.19 mm。同時曲線的發展規律、變形特點也是一致的，說明用數值模擬方法預測沉降值是可行的。

5　結論

1)構建了新建污水隧洞下穿既有結構的三維有限元數值模型，對不同工況開挖引起的沉降規律進行了對比分析，得出的沉降規律基本一致，與實際情況相符。

2)研究列車荷載、不同開挖順序對既有結構沉降的影響以及不同埋深與最大沉降的關系。得到:考慮列車荷載后產生的最大沉降(1.62 mm)大于不考慮列車荷載產生的最大沉降(0.54 mm);先開挖中洞產生的沉降小于先開挖側洞產生的沉降;埋深與最大沉降值的關系近似符合對數函數關系，即S =－0.167－0.245lnz。

3)數值模擬計算的沉降值與實測值比較接近且沉降規律、變形特點具有一致性，說明采用數值模擬方法預測隧洞開挖沉降是可行的。

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(責任審編葛全紅)

Analysis of Settlement of Existing Metro Structure Induced by Newly Driving Tunnel under Orthogonally Passing

HUANG Changfu1，2，TIAN Shuguang1，WANG Yanhui3，LI Jianwang2

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China;3.School of Traffic and Transportation，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Abstract:A new sewage tunnel project under line 2 of Beijing metro was studied in this paper.A three-dimensional numerical model was built to analyze the effect of train loads and excavation sequence on settlement of existing subway structure and the relationship between embedment depth and maximum settlement.T he maximum settlement due to the tunnel excavation is 1.62 mm with consideration of train loads，greater than 0.54 mm settlement without consideration of train loads.W hen the middle tunnel hole was excavated as the first hole，the settlement was less than that when the side hole was excavated.T he maximum settlement is logarithmic to the embedment depth.By comparison of in-situ monitoring data and calculation results，the characteristics of settlement and displacement are close，validating the prediction of numerical simulation.

Key words:Existing metro;Close range;T unnel Excavation;Numerical simulation;In-situ monitoring;Settlement

作者簡介:黃昌富(1971—)，男，教授，博士。

收稿日期:2015-10-10;修回日期:2015-12-18

文章編號:1003-1995(2016)03-0092-05

中圖分類號:TU94+1

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.23