地鐵下穿施工工法對既有車站變形控制優化研究

摘 要：隨著我國城市蓬勃迅猛的發展，城市地下線路的網絡建設是不可避免的[1]。網絡建設將導致新線路和以往線路的交叉，隧道施工下穿既有構筑物案例不斷出現。為了研究新建區間隧道下穿既有地鐵車站的地層變形規律與控制方法，本文依托深圳地鐵7號線區間隧道下穿既有4號線福民車站實際工程，基于FLAC3D三維有限差分軟件，建立三維有限差分模型。根據實際施工條件和地質參數，對地鐵下穿既有車站工況進行模擬，探究車站變形規律。研究表明：隧道具體開挖方式對車站結構變形有較大影響，全斷面法與臺階法施工產生沉降明顯大于CRD法，同時全斷面法沉降發育過于集中，為了便于施工變形控制，應盡量選用CRD法施工。

關鍵詞：地鐵車站;下穿施工;開挖方法;變形優化;數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.064

1 引言

隨著我國城市蓬勃迅猛的發展，城市地下線路的網絡建設是不可避免的[1]。網絡建設將導致新線路和以往線路的交叉，隧道施工下穿既有構筑物案例不斷出現。為了防止地鐵施工使既有構筑物沉降過大從而導致坍塌的事故發生，同時也為了施工安全，研究地鐵下穿施工工法變形優化就非常有意義[2]。經過多年的研究和積累，國內外學者隧道施工對既有地下結構變形的影響、分析和經驗預測方法有了長足的進步，預測實際工程問題可以達到相對簡單和準確。但是在實際工程運用中還是存在一些問題：例如，對結構變形有重要影響的因素，如混凝土施工方法、輔助施工方法、實際土層分層等，分析方法難以考慮。這些方面是數值模擬方法的優點，因此可以運用大型數值模擬軟件FLAC3D，來研究在不同的地鐵施工工況下下穿既有車站的變形規律。

2 工程概述

深圳地鐵7號線7304-2標皇崗村～福民區間全長392.499m，右線全長396.077m。皇～福區間隧洞零距離下穿既有4號線福民站，下穿段右線長28.059m，左線長28.877m，斷面形式為矩形，寬6.6m，高7.885m;左右線隧道平行布置，凈距為8.9m;隧道軸線與既有4號線福民站軸線呈75度夾角。

3 數值計算模型與分析方法

3.1 數值計算模型建立

本文利用大型數值模擬軟件Flac3D，依據深圳地鐵7號線下穿富民車站實際工況，建立一個和實際工況接近的三維數值模型。在實際工況下，車站全長216.1m，下穿區間寬度為28.8m，綜合考慮邊界影響效應和簡化建模，模型的尺寸為126*28.8*50m。數值模型如圖所示1。

3.2 力學參數

3.3 邊界約束

對模型施加的約束條件，在x、y和z軸方向都施加各自的法向約束，模型，模型上邊界不施加約束，為自由面。

4 數值計算結果分析

表2是測點沉降統計情況進行對比分析，表中的數據內容為5個施工過程的時間節點處車站底板的沉降占最終沉降的比例。

對比CRD法和臺階法，如表2所示為其施工工藝下車站底板沉降發育曲線圖。可以看出，其車站底板沉降發育曲線趨勢比較接近，但是沉降數值有所不同。當右線即將通過測點斷面時，CRD法和臺階法的沉降變形都不明顯，不同的是CRD法右線中點沉降8.7%，向下略微沉降，但是臺階法右線中點沉降-0.8%，略微隆起;但CRD法左線中點沉降-11.1%，臺階法左線中點沉降-8.2%，都發生隆起現象，但是沉降比例略微不同，數值也不同。說明在左線隧道未施工時，右線隧道施工使左線隧道發生隆起，在施工中應該注意該現象并施加相應的防護措施。當右線通過測點后，CRD法和臺階法右線中點沉降比例都為50%左右，但對于左線中點沉降比例，CRD法是8.9%，臺階法是22.2%，臺階法沉降比例比較大。說明左線施工未施工時，右線隧道施工后使左線隧道發生大幅度沉降，并且臺階法的沉降比例比CRD法大。當施工步驟進行到左線即將通過測點時，CRD法右線中點沉降比例從50.3%增加到60.8%，臺階法右線中點沉降從49.3%增加到51.5%;CRD法左線中點沉降比例從8.9%增加到21.1%，臺階法右線中點沉降從21.6%增加到28.1%，變化不太明顯，但是CRD法略大于臺階法。當左線通過測點時，CRD法和臺階法都發生大幅度的沉降，沉降比例都達到90%左右。可以看出，CRD法在控制沉降方面優于臺階法。

對比CRD法和全斷面法，其發育曲線和發育規律有較大的不同，具體的不同體現在：從表2中可以看出，在右線即將通過測點斷面時，CRD法和全斷面法沒有差別;當右線通過測點后，右線中點的沉降比例都是增加到50%左右，但是左線中點的沉降比例不同，CRD法從-11.1%增加到8.9%，全斷面法從-13.1%增加到20.1%，說明臺階法施工時，左線未施工時，右線施工對左線的影響更大。在左線通過測點后，臺階法施工仍然使左右線中點發生先在沉降，并且說明臺階法在右線穿越斷面后續施工仍造成測線沉降顯著發育，尤其當雙線貫通后沉降明顯增加，說明左右線隧道開挖存在較強的相互影響關系。可以看出，CRD法在控制沉降方面優于全斷面法。

綜上所述，CRD法應該盡可能使用。

5 結論

本文利用大型數值Flac3D軟件建立了深圳地鐵7號線下穿富民車站三維數值模型，并根據實際工況對下穿施工中所采用的工法進行了模擬，研究其對既有車站變形規律的影響，有以下結論。

對于沉降發育曲線和發育規律，CRD法與臺階法的最終沉降云圖變化趨勢相似，測點沉降主要發生在左右線隧道穿越測點斷面時，左右線開挖互相有影響，但是臺階法的沉降量比較大。全斷面法施工沉降分布規律略有不同，其車站沉降發生在隧道通過測點斷面過程中以及通過后，左右線隧道開挖存在較強的相互影響關系。綜上所述，在地鐵施工中應該盡量選取CRD法。

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作者簡介：周石喜（1974-），男，湖南邵東人，碩士，工程師，主要研究方向：地下結構。