增濕條件下膨脹土隧道近距離下穿既有地鐵車站施工力學分析

施有志，林聯泉，徐建寧，秦佳佳

增濕條件下膨脹土隧道近距離下穿既有地鐵車站施工力學分析

施有志1，林聯泉2，徐建寧3，秦佳佳4

(1. 廈門理工學院 土木工程與建筑學院，福建 廈門 361024；2. 廈門市建設工程質量安全站，福建 廈門 361003；3. 中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054；4. 中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011)

為確保膨脹土地層滲水后，礦山法隧道近距離下穿既有地鐵車站施工過程隧道及車站的安全，以合肥地鐵5號線下穿既有車站隧道工程為依托，采用PLAXIS 3D巖土有限元軟件精細化模擬整個施工過程，計算分析隧道、地層及既有車站結構的響應規律。研究結果表明：隧道下穿車站結構時經歷的應力場較低；引起的地層變形主要表現為底部隆起和掌子面回彈變形；隧道下穿后，車站結構表現為中部隆起，前后兩端沉降，施工時應控制既有車站的局部上浮。結合監測數據分析，表明隧道自身和既有車站基本處于安全穩定狀態，施工方案合理可靠。

增濕條件；膨脹土隧道；近距離下穿；既有車站；數值模擬；現場監測

為緩解城市交通壓力，中國大規模建設城市地下快速軌道交通。隨著地鐵建設規模的大力發展，新建地鐵線路穿越既有地鐵結構或軌道線路已不可避免。當新線近距離穿越既有線或車站時，必然對既有結構產生擾動，增大既有車站和隧道結構的受力變形[1-2]。在確保隧道施工安全的同時，也必須保證上覆既有車站的安全運營。國內已有不少學者對近距離下穿既有地鐵車站的變形影響展開研究。王劍晨等[4]北京地鐵4號線下穿既有2號線地鐵車站為工程背景，從整體變形和單個塊體位移對既有車站實測位移進行分析，研究淺埋暗挖隧道近距施工引起的上覆地鐵結構變形規律；高朗等[5]依托于深圳地鐵7號線某區間工程，采用三維數值仿真對新建隧道下穿既有營運車站的施工過程進行模擬，結合現場監測，驗證設計方案的可行性；李克鋼等[6]依托于昆明市地鐵4號線某車站下穿既有車站工程，采用ANSYS軟件對車站基坑密貼下穿開挖過程進行模擬，總結上覆車站結構響應情況，最后結合現場實測驗證。城市地鐵下穿隧道施工條件本身就已比較復雜，如遇到膨脹土這樣具有顯著脹縮性，且干濕過程具有可逆性的多裂隙地質 體[7-9]，在隧道施工期間若沒有選擇合適的加固措施、施工工法及參數，很可能引起隧道底部隆起、圍巖開裂、支護結構變形破壞、圍巖膨脹坍塌等危害[9]。目前關于膨脹土地層路基[11]、邊坡[11]、基 坑[13]施工的研究很多，也有部分學者對膨脹土隧道展開研究，如舒東利等[13]基于合肥地鐵1號線某區間隧道穿越膨脹土地層，通過滲流場?附加膨脹應力場耦合數值模擬方法，考慮地表降雨、結構安全性與經濟性，研究最適合合肥地鐵單線隧道施工方法；陳煒韜等[15]運用FLAC3D熱力場?應力場耦合方法，模擬膨脹土地層吸水膨脹、失水收縮過程，對淺埋雙洞地鐵隧道施工參數進行研究。但未見關于穿越滲水條件下的膨脹土地層，且近距離下穿既有地鐵車站隧道施工的研究報道。基于此，本文以合肥市軌道交通5號線某區間隧道下穿既有地鐵車站暗挖段工程為依托，基于滲水條件下的膨脹土地層，通過有限元軟件建立膨脹土隧道下穿既有車站三維數值仿真模型，模擬施工過程，計算隧道和地層整體變形受力情況，分析既有車站結構變形響應，預測施工過程中的結構變形發展，最后結合現場實測數據分析隧道及車站結構的安全穩定，驗證施工方案的可靠性，總結出一些對膨脹土隧道下穿既有車站施工具有參考價值的結論。

1 工程概況

1.1 下穿既有車站區間隧道工程簡介

本工程為合肥市軌道交通5號線云谷路站~華山站區間下穿既有車站暗挖段，關系圖見圖1，隧道主體結構拱頂最小覆土為1.988 m。隧道區間采用礦山法施工，右線里程為K5+172.307～K5+ 215.207 m，長42.9 m，左線里程為K5+172.307～K5+226.207 m，長53.9 m。區間左右線間距16 m，標準段外皮凈間距7.8 m。

圖1 暗挖段與既有1號線車站關系圖

隧道標準斷面設計選用國內通用的馬蹄形斷面，開挖寬度和高度分別為8.2 m和8.25 m。采用CRD法施工，循環步距長度標準段為0.5 m，隧道支護結構為復合式襯砌，橫剖面圖如圖2所示。

1.2 工程地質與水文地質概況

根據地質補勘揭示(見圖3)，區間隧道范圍內主要地層為：黏土③層、黏土④層。最大地面覆土厚度約為15 m。暗挖區間穿越的黏土③層、黏土④層具有弱膨脹潛勢，表現出顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能。勘察報告提供的膨脹土層的膨脹性指標如表1所示。

單位：mm

單位：m

表1 勘察報告提供的膨脹性指標

地下水主要為上層滯水在暗挖區間隧道施工過程中，極易因上層滯水、地表水補給等引起掌子面滲水，甚至局部冒頂等不利現象。

1.3 現場施工方案

在下穿隧道開挖施工時，發現地表水及上層滯水通過上覆車站外墻壁以及原基坑的圍護樁下滲，導致圍巖土體軟化，如果不加固將會導致拱頂坍塌。因此，在開挖前對暗挖隧道下穿車站段上半斷面土體采取袖閥管注漿加固處理，注漿加固斷面圖見圖4。

單位：mm

城市地鐵暗挖隧道下穿既有地鐵車站風險很高，對變形控制的要求極其嚴格。膨脹土注漿加固范圍和加固效果有限，為保證隧道自身穩定性及周邊地層和既有地鐵車站的安全，經對比分析，確定開挖導坑順序為1→3→2→4(見圖2)，開挖步距0.5 m的方案進行施工。

2 數值模擬

2.1 數值模型設計

采用巖土有限元程序PLAXIS 3D構建膨脹土隧道下穿既有車站三維有限元模型，地表標高取為零，模型長()×寬()×高()為70 m×22 m×35 m。共包含4個土層，自地表以下依次為填土(0～?2 m)、黏土②(?2～?8 m)、黏土③(?8～?25 m)和黏土④層(?25～?35 m)。既有車站為兩側地下結構，寬20.9 m，底板埋深13 m，側墻深度22 m，內部有兩排直徑1 m的立柱。隧道斷面尺寸寬×高為8.2 m×8.25 m，拱頂標高處于?15 m。僅考慮上層滯水，模型中地下水位設于隧道下方(地下水位標高 ?30 m)。

三維隧道采用參數化幾何模型，并對隧道及其周邊區域網格進行加密。地層采用10節點四面體單元進行離散，共劃分68 286個單元，106 039個節點。邊界條件為模型4個側面設置法向約束，頂面自由，底面設置完全固定約束。三維幾何模型如圖5所示。

(a) 地層三維有限元網格；(b) 隧道下穿車站三維幾何模型

表2 巖土體物理力學參數

立柱采用線彈性樁單元模擬，側墻、中板和底板等采用線彈性板單元模擬，結構材料參數見表3，包括：厚度，重度，楊氏模量和泊松比。

表3 既有車站結構單元參數

初期支護噴射混凝土(C25，厚25 cm)采用板單元模擬，噴射混凝土與周圍土體之間設置零厚度的接觸面，接觸面兩側的結構和土體之間可以發生相對滑移，具體結構單元參數包括：=0.3，=25 kN/m3，1=28×106kN/m2，2=63×103，=0.2。

2.2 施工模擬

為了更合理地考慮前期車站結構施工對原始地應力場的擾動情況，在暗挖隧道下穿施工之前，首先進行車站結構的施工過程模擬，然后再進行暗挖隧道施工模擬。膨脹土地層CRD法雙線隧道下穿既有車站結構施工模擬方案如下：1) 步驟1：初始地應力平衡；2) 步驟2：施工地連墻、頂部支撐并開挖第1層；3) 步驟3：施工中部支撐并開挖到底；4) 步驟4：拆除中部支撐并施工底板；5) 步驟5：施工立柱及頂板和中板；6) 步驟6：暗挖隧道施工至車站結構前方；7) 步驟7～步驟209：超前注漿加固，CRD法開挖隧道，步距0.5 m，先施工左線，后施工右線，各分部開挖面間距5 m。其中CRD法施工步序依次模擬分析，如圖6所示。

單位：m

3 結果分析

3.1 隧道整體變形及受力情況分析

隧道實際開挖順序為1→3→2→4(見圖2)，開挖步距均為0.5 m。針對下穿既有車站的隧道結構，輸出雙線隧道全斷面穿過車站時的結構變形及內力分布云圖，如圖7～8所示。

由圖7可以看出，雙線隧道穿過既有車站后，隧道初期支護結構左右兩側的水平位移分別約為8 mm和?9 mm，豎向位移以初支結構底部隆起為主，隆起量接近10 mm，隧道與車站側墻相接處表現為下沉，下沉量約為?5 mm。

(a) 水平變形；(b) 豎向變形

(a) 軸力；(b) 彎矩

從圖8可以看出，下穿段的隧道軸力和彎矩較小且分布較為均勻，但下穿段與車站結構側墻相接處的隧道結構內力值相對較大，表現出明顯的應力集中。將隧道結構的變形視為由其整體剛性位移和洞周收斂2部分疊加而成，如圖9所示。

圖9 隧道變形機理分析

從圖9可知，當?1??2<0時，隧道拱頂將表現為下沉；當?1??2>0時，隧道拱頂最終將表現為隆起。上述計算結果中隧道拱頂主要表現為隆起，表明隧道整體隆起量相對較大，超過了隧道結構自身的收斂變形量。

3.2 地層變形及應力變化情況分析

3.2.1 地層變形分析

為方便觀察下穿隧道施工引起的地層變形情況，設置如圖10所示的橫縱2個剖面。

圖10 剖面位置示意

考慮上部車站和未考慮時的B-B剖面地層位移如圖11所示。

由圖11可知，存在上部既有車站情況下隧道拱頂上方土體位移主要表現為隆起，而不考慮既有車站的情況主要表現為沉降。

A-A剖面最大水平、豎向地層位移情況如圖12所示。

(a) 未考慮上部既有車站；(b) 考慮上部既有車站

(a) 水平位移最大值；(b) 豎向位移最大值

從圖12可以看出，掌子面向隧道內的水平位移最大約14 mm，位于隧道下半斷面；隧道底部隆起值最大約7.13 mm，在隧道全斷面開挖完畢后達到最大。地下車站結構以外的隧道上方地層則主要表現為下沉和傾向車站內部的變形。此外，在隧道下穿段與車站側墻相接處拱頂上方局部區域土體位移表現為下沉。分析可知，隧道頂部與車站底板間距不到2 m，這部分土體自重很小，而地鐵車站開挖后造成較大面積、較大深度的卸載，僅靠車站結構自重無法補償開挖掉的土體自重，下方隧道開挖擾動下地層變形表現為以隆起為主。此外，車站結構自重主要由側墻與土體之間側摩阻力承擔，導致側墻附近與隧道連接處局部土體因提供豎向側阻力而發生下沉。

3.2.2 地層應力變化分析

為進一步闡明下穿車站的隧道施工變形機理，在左線隧道中部設置一豎直剖線。

由此可見，車站開挖施工后，隧道下穿施工前其拱頂位置處土體豎向應力減小至初始豎向應力值的1/3左右，意味著當隧道下穿施工時拱頂上覆荷載比沒有車站結構時大大降低，隧道整體表現為隆起也就順理成章了。由于施加在隧道拱頂的豎向荷載很小，導致下穿段隧道的內力值較小，與車站隧道相接處的隧道內力較大，這一分析結論解釋了上一小節中隧道內力分布特征。隧道下穿施工完成后，拱頂處土體豎向應力又回升至初始豎向應力的2/3以上，表明隧道隆起變形受到了上方車站結構的限制，由此可以推斷，車站結構在下方隧道施工影響下也會表現出隆起變形，下一小節的相應分析將驗證這一點。

3.3 既有車站結構變形響應分析

以下結果分析中，以記號“Z-”表示左線()第分部(＝1～4)的第個開挖步；記號“-”表示右線()第分部(＝1～4)的第個開挖步。除特別說明外，單次開挖步距0.5 m，每個分部需22 m/0.5 m＝44(步)貫通。

車站結構在下方隧道施工過程中整體豎向位移變化情況如圖13所示。

(a) 開挖Z1-10；(b) 開挖Z2-44；(c) 開挖Y4-44

從圖13可以看出，結構下沉區域隨著下方隧道掌子面推進而向前移動。下方隧道剛開始開挖進入車站所處區段時，開挖隧道上方車站結構有很小量下沉，隨著掌子面向前推進，車站結構中部逐漸表現為向上隆起，最終，車站結構在隧道穿出的一端表現為下沉，車站中部表現為隆起。這與前面分析的地層變形特征相符，可以認為，由于車站施工開挖卸載了大量土體，車站結構自重無法補償挖掉的土體自重，且車站下方隧道拱頂覆土厚度很小，隧道開挖后整體變形表現為隆起，并進一步導致車站結構中部也發生隆起。

圖14進一步給出了車站結構頂板、中板和底板在下方隧道關鍵施工階段時的豎向位移云圖。

(a) 車站頂板沉降；(b) 車站中板沉降；(c) 車站底板沉降

通過圖14可見，在下方隧道開挖影響下，車站結構中部表現為隆起變形，頂板、中板、底板隆起量差異不大，隧道穿越施工完成后，車站底板最大隆起約2.08 mm，位于隧道拱頂正上方。隧道穿出端側墻附近表現為下沉，最大下沉量約為1.67 mm。這一中間隆起、端部下沉的變形特征與前面分析的地層變形特征一致。

4 現場實測分析

為觀察暗挖隧道施工過程中隧道、地表及車站結構的變形情況，在暗挖隧道工程現場布設地表沉降監測點和車站結構沉降測點，監測點布置見圖15。

4.1 地表沉降

地表沉降測點隨時間變化的地表沉降監測曲線如圖16所示。

圖15 監測平面圖

地表沉降監測點布置于既有1號線云谷路站東西兩側，由圖16可知，車站兩側地表沉降隨著暗挖隧道施工逐步增大，最大值出現在西側測點DB1-4，于2016年10月左右(即穿越車站終點)達到最大值約?14 mm，之后基本保持不變。提取與DB2-1對應的數值模擬計算結果，可以看出實測值比計算值更大，這可能是模擬的地質條件簡化，與實際情況存在偏差所導致。

地表沉降測點DB1-1~DB1-6隨新建隧道距離變化的地表沉降監測曲線如圖17所示。

圖16 地表沉降隨時間變化曲線

圖17 地表沉降隨距離變化曲線

從圖17可以看出，處于隧道拱頂正上方(DB1-3和DB1-4)的地表沉降量最大，并隨遠離隧道方向逐漸減小，從地表沉降曲線的形態上看，對應雙線暗挖隧道地表沉降形態近似為“V”型，車站東側的地表沉降相對西側較小。

4.2 既有車站結構沉降

既有車站沉降測點JC1-1~JC1-6隨距車站結構距離變化的既有車站結構監測曲線如圖18所示。

圖18 既有車站結構沉降隨距離變化曲線

由圖18可知，受下方暗挖隧道穿越施工的影響，既有地鐵車站結構豎向位移既有沉降也有隆起，處于下穿隧道正上方的測點(JC1-2~JC1-4)主要表現為隆起，最大隆起量接近7 mm；隧道以外車站結構測點(JC1-1, JC1-5和JC1-6)主要表現為沉降，最大沉降也接近?7 mm。現場實測所得的沉降形態總體表現為車站中部隆起，兩端下沉。結合圖中隧道穿越施工后的數值模擬結果可知，兩者所反映的規律一致，但現場實測的豎向位移量值要更大，這可能是由于現場開挖步距控制及注漿加固效果不夠理想所致。因此，應在施工中嚴格控制開挖步距，加強對注漿效果的檢測并根據需要調整注漿方案，以控制車站結構變形。

5 結論

1) 車站結構施工后，挖除大量土體，使得下方隧道位置處的地層應力相對車站施工前的原始地層應力有很大降低，即隧道下穿車站結構時將經歷較低的應力場，拱頂覆土厚度小，受到的上覆荷載較小。

2) 下穿車站隧道施工引起的地層變形主要表現為底部隆起和掌子面回彈變形。從隧道縱向來看，隧道中部拱頂和底部土體均表現為隆起，隧道兩端靠近車站側墻的局部區域土體表現為下沉。相應地，車站結構中部也表現為隆起，車站前后側墻部分表現為沉降。因此，應對車站中部及車站與隧道相接處的隧道拱頂、底部的豎向位移加強監測，尤其關注隧道底部的隆起變形，防止引起車站結構產生過大的差異沉降。

3) 監測數據表明，既有車站東西兩側的地表沉降形態近似為“V”型，車站西側的地表沉降相對西側較大；受下方暗挖隧道穿越施工的影響，既有地鐵車站結構沉降曲線總體呈現出車站中部隆起，兩端下沉的形態，與數值模擬變形規律一致。總的來說，隧道自身及既有車站結構基本處于安全穩定狀態，CRD開挖工法的優化方案合理可靠。

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Analysis of construction mechanics of expansive soil tunnel passing through existing subway station in short distance under humidification condition

SHI Youzhi1, LIN Lianquan2, XU Jianning3, QING Jiajia4

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China;2. Xiamen Construction Project Quality and Safety Station, Xiamen 361003, China;3. China Railway First Group Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 4. China Railway 24th Bureau Group Anhui Engineering Co., Ltd., Hefei 230011, China)

In order to ensure the safety of the existing structure and the construction of the expansion soil tunnel under the condition of water seepage, based on the existing station tunnel project of Hefei Metro Line 5, considering the expansion and contraction of the expansion soil and the bad characteristics of fissures, the PLAXIS 3D geotechnical finite element software was used to simulate the whole construction process, and the response law of the tunnel, stratum and the existing station structure was calculated and analyzed. The research shows that the stress field of the tunnel passing through the station structure is relatively low. The formation deformation caused by the tunnel is mainly manifested as the bottom uplift and the face rebound deformation. After the tunnel passing through, the station structure is manifested as the middle uplift, the front and rear ends settlement, and the local uplift of the existing station should be controlled during the construction. Combined with the monitoring data analysis, it shows that the tunnel itself and the existing station are basically in a safe and stable state, and the construction scheme is reasonable and reliable.

humidification conditions; expansive soil tunnel; short distance underpass; existing station; numerical simulation; field monitoring

U459.3

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0200 ? 11

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T 20200193

2020?03?09

廈門市科技計劃項目(3502Z20183043)；廈門市建設局科技項目(XJK-2019-1-4)

施有志(1976?)，男，福建晉江人，教授，博士，從事巖土、隧道及地下工程的研究；E?mail：2013110907@xmut.edu.cn

(編輯 陽麗霞)