盾構隧道近距斜交下穿既有地鐵車站變形沉降數值模擬分析

董辰浩

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

隨著城市軌道交通建設的快速發展，由于地下空間的局限性，新建地鐵隧道修建過程中不可避免地要下穿既有地鐵車站。目前，地鐵隧道建設常用盾構機進行施工，掘進施工過程控制不當容易引起隧道周圍地層土體擾動，繼而對車站主體結構受力狀態產生影響［1］。因此，地鐵車站對沉降變形控制精度要求較高。為確保施工安全及既有線路的平穩運行，本研究以實際工程為例，采用數值模擬軟件建立三維模型，分析研究地鐵隧道近距離斜交下穿施工對既有地鐵車站的影響［2］，以期指導實際下穿施工過程，最大限度地降低施工風險，并結合監測數據驗證該模擬結果的準確性及可行性。

1 工程概況

某地鐵車站為地下三層雙柱三跨車站，車站主體和附屬結構均采用明挖法施工，擬建隧道采用盾構法進行施工。盾構隧道穿越車站應斜切止水帷幕、鉆孔灌注樁、車站中部臨時立柱樁及車站區間分界地連墻，穿越圍護樁角度為76.6°，下穿既有站后進行盾構接收工作。盾構施工采用土壓平衡盾構機，區間管片厚度為0.35 m，內徑為5.5 m，環寬為1.5 m。

端頭隧道主要位于A②51 細砂層中，端頭加固區域主要位于A②22 粉質黏土層和A②51 細砂層。采用冷凍法加固，加固體為杯狀，杯壁厚度2 m，縱向長度為12 m，杯底厚度為3.5 m。

既有車站凈寬為22.1 m，穿越長度為22.7 m，寬度為24.1 m。下穿既有車站時，盾構隧道頂距離車站底板最小豎直凈距約為2.18 m，距離車站底板下方預留換乘通道最小凈距1.2 m。擬建隧道下穿既有站橫剖面位置關系如圖1所示。

圖1 盾構隧道下穿既有站橫剖面位置關系

2 地質條件

2.1 工程地質

根據區域地質資料，穿越段車站及區間隧道所處地層自上而下為A①1層雜填土、A②31C粉砂、A②31 黏質粉土、A②32 黏質粉土、A②41 粉砂、A②22 粉質黏土、A②51 細砂，下穿段盾構區間隧道主要位于A②51 細砂層，層厚8.40～18.80 m。據調查，場地內未發現諸如塌陷、巖溶、地面沉降及裂縫等不良地質作用。

2.2 水文地質

該工程地下水類型屬第四系松散孔隙潛水，主要賦存于30 m 以上的黏質粉土、粉砂、細砂層中。穿越既有站隧道主要位于細砂層，穩定地下水位埋深為地面以下13.5 m，區間隧道拱頂以上4.6 m。

3 變形數值模擬

3.1 計算方法

地下結構計算理論模型可分為連續介質模型（地層—結構模型）、作用與反作用模型（荷載—結構模型），考慮到新建區間隧道施工引起既有地鐵車站的變形與地層密切相關，此工程采用地層—結構模型進行分析［3］。

3.2 基本假定

由于巖土材料物理力學特性的隨機性和復雜性，要完全模擬巖土材料的力學性能和嚴格按照實際的施工步驟進行數值模擬是非常困難的。在建模和計算過程中，應考慮主要因素，忽略次要因素，結合具體問題進行適當簡化［4］。在本次數值模擬中采用了以下假設：①初始應力場的模擬，根據勘察報告提供的不同土層剖面，根據不同的土體分層條件和重度，計算新建工程施工前土體初始應力場分布，考慮既有地鐵結構對初始應力場的影響［5］；②介質的模擬，巖土體采用修正莫爾-庫倫彈塑性模型，采用實體單元模擬；車站結構墻板、盾殼、管片、蓋板等采用板單元模擬；結構梁、柱、鉆孔灌注樁等采用梁單元進行模擬；③邊界條件的模擬，對計算土體的底面約束豎向Z的位移，側面分別約束橫向X、縱向Y的位移，地表為自由面［6］；④施工階段的模擬，通過有限元軟件的“激活單元、鈍化單元”模擬施工對既有地鐵車站及附屬結構的影響。

3.3 計算參數

根據地勘單位提供的地勘資料和報告，在深度60 m 的模型范圍內按照土層參數相近原則劃分為5 層土體。采用實體單元模擬土體，選取模型土體材料參數見表1。

表1 土體模型材料參數

在盾構隧道施工階段，車站結構及區間隧道襯砌處于彈性變形階段，故采用板單元模擬地鐵結構及盾構機盾殼，采用梁單元模擬結構梁柱等［7］。具體參數見表2。

表2 結構模型材料參數

3.4 模型建立

根據新建隧道施工對既有站的外部作業風險影響等級，結合施工過程中的空間效應，重點分析既有站南端接收端地層加固—區間左線隧道掘進及盾構接收—區間右線隧道掘進及盾構接收對既有地鐵車站的影響。

模型尺寸分別為350 m×300 m×60 m，采用混合六面體單元，模型共有225 887 個單元，124 271 個節點，施工期間按照每18 m 一個掘進單元進行模擬［8］，左右線隧道中心間距17 m，隧道覆土25.4 m，管片外徑6.2 m，厚度0.35 m，先進行左線隧道掘進施工，后進行右線隧道掘進施工。據此建立模型，相對位置關系和網格劃分如圖2所示。

圖2 空間網格模型

3.5 分析工況設置

結合實際施工組織計劃，在數值模擬分析時，按照以下施工順序進行模擬：初始地應力平衡（Step0）—車站主體及附屬結構施工和地應力平衡（Step1）—既有站接收端地層加固（Step2）—左線盾構掘進及接收（Step3-7）—右線盾構掘進及接收（Step8-12）。

4 結果分析

4.1 既有車站主體結構豎向變形

經模擬分析，既有車站主體結構豎向變形云圖如圖3 至圖6 所示，車站主體結構底部在不同施工步序下豎向變形情況見表3。

表3 車站主體結構底部在不同施工步序下豎向變形

圖3 既有車站接收端地層加固（0.13 mm）

圖4 區間左線隧道掘進及接收（-1.65 mm）

圖5 右線隧道掘進及接收（-2.85 mm）

圖6 車站主體結構豎向變形趨勢圖（隨施工步序）

由表3 可知，在區間隧道接收端地層加固過程中，車站底部豎向最大變形為上浮0.13 mm；在區間左線隧道盾構施工過程中，車站底部豎向最大變形為沉降1.65 mm；在區間右線隧道盾構施工過程中，底部豎向最大變形為沉降2.85 mm。

4.2 既有車站主體結構水平變形

經模擬分析，既有車站主體結構水平變形云圖如圖7至圖10所示，車站主體結構在不同施工步序下水平變形情況見表4。

表4 車站主體結構在不同施工步序下水平變形

圖7 既有站接收端地層加固（0.04 mm）

圖8 區間左線隧道掘進及接收（-1.05 mm）

圖9 區間右線隧道掘進及接收（-1.54 mm）

圖10 車站主體結構水平變形趨勢圖（隨施工步序）

由表4 可知，在區間隧道接收端地層加固過程中，車站底部水平最大變形為-0.04 mm；在區間左線隧道盾構施工過程中，既有站底部水平最大變形為-1.05 mm；在區間右線隧道盾構施工過程中，既有車站底部水平最大變形為-1.71 mm。

4.3 施工實際監測數據

為及時掌握地鐵車站和附屬結構、軌道的變形數據，以及盾構施工對周邊建筑物和管線的影響，預防工程破壞事故和環境事故的發生，在監測對象變形和內力的關鍵特征點上布設監測點。在工程施工前對地鐵車站的變形情況進行復測，從測定監測項目初始值開始，至外部作業完成且數據趨于穩定后結束。下穿施工引起既有車站沉降位移變化曲線如圖11所示。

圖11 盾構隧道下穿施工既有車站沉降位移變化曲線

擬建隧道穿越既有地鐵車站時，盾構隧道經過車站主體結構正上方區域為擾動區域。實際監測數據顯示車站左線區域最大沉降值為-1.71 mm，右線區域最大沉降值為-2.62 mm；車站左線區域水平位移最大值為-1.15 mm，右線區域水平位移最大值為-1.67 mm。

5 結論

本研究通過建立三維有限元模型，分析計算施工新建盾構隧道對既有地鐵車站的影響，研究既有車站主體結構豎向變形及水平位移變化規律，將計算結果與實際施工監測數據進行對比，得出以下結論。

①理論計算及實際監測數據均滿足變形控制指標，新建隧道施工對既有車站的影響在評估允許的安全范圍內。

②預測結果與實際監測數據均顯示，新建右線隧道施工過程對既有地鐵車站影響較大，應加強現場監測，及時跟進二次注漿的過程，加固周圍土體，減少后續沉降。

③通過對比分析，三維模型計算預測結果與實際監測數據相近，且保持較高的關聯度，驗證了采用該模型分析預測地鐵車站變形規律的可行性。研究成果為分析隧道下穿施工引起的沉降變形提供了理論依據。