地鐵隧道近距離下穿既有地鐵站變形規(guī)律和安全控制研究

劉建美，劉 洋(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 山東 臨沂 276000)

地鐵隧道近距離下穿既有地鐵站變形規(guī)律和安全控制研究

劉建美，劉 洋
(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 山東 臨沂 276000)

以深圳地鐵7號線實(shí)際施工為背景，重點(diǎn)研究地鐵區(qū)間隧道近距離下穿既有地鐵站的安全控制技術(shù)，用數(shù)值計(jì)算分析模擬實(shí)際工程近況，并根據(jù)工程地質(zhì)情況，對照監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果,提出全斷面注漿的時空效應(yīng)下，應(yīng)注意注漿加固區(qū)域隆起，及時對施工過程進(jìn)行調(diào)整，保證注漿過程中的施工安全。

監(jiān)控量測；安全控制；數(shù)值計(jì)算；近距離下穿

近年來地鐵建設(shè)快速發(fā)展，新建線路往往會與既有建筑物交互影響。隧道施工過程中，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，壓力不均。為保證周邊設(shè)施的正常運(yùn)營，隧道開挖造成沉降必須得到嚴(yán)格控制。因此，為控制新建地鐵隧道施工引起的地質(zhì)情況變化提供較為合理的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)尤為重要[1-3]。

國內(nèi)外許多專家學(xué)者為此提出了許多可靠有利的典范[4-6]。許奎[7]通過分析地鐵隧道下穿既有構(gòu)筑物施工，進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了工程中造成的路面失衡對既有運(yùn)營的影響。王剛等[8]以某地鐵2號線區(qū)間下穿客運(yùn)專線站場為工程依托，通過對計(jì)算結(jié)果的分析，為減小隱藏的危險(xiǎn)系數(shù)，提出了相關(guān)的措施。張文等[9]從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)角度對巖溶地區(qū)地鐵隧道施工安全控制進(jìn)行了研究。張恒臻[10]采用數(shù)值計(jì)算方法模擬工程施工中盾構(gòu)對周圍土體的影響。石建澤[11]通過建立工程整體模型，仿真分析了盾構(gòu)施工對既有建筑物的影響。張立陽[12]分析了地鐵盾構(gòu)下穿既有建筑物施工，運(yùn)用了模擬和檢測相結(jié)合的方法，為盾構(gòu)下穿造成的既有建筑物變形和風(fēng)險(xiǎn)研究提出了相關(guān)理論。江華等[13]通過分析新建盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿既有工程施工，通過模擬和檢測對比分析，闡明了盾構(gòu)下穿過程中引起的變形規(guī)律。楊戰(zhàn)博等[14]依托某公路下穿既有道路施工工程，采用專家調(diào)查法和層次分析法對工程施工階段風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識、分析、評價，得到掌子面失穩(wěn)為最大施工風(fēng)險(xiǎn)。王曉鋒[15]針對盾構(gòu)下穿地下管線引起的變形規(guī)律進(jìn)行研究，基于管線的極限變形能力確定地表沉降控制值。

1 工程概況

深圳地鐵7號線7304-2標(biāo)呈東西走向，起點(diǎn)為皇崗村站東端，沿福民路向東下穿4號線福民站車站，至7號線福民站西端，區(qū)間左線全長392.499 m，右線全長396.077 m。

皇—福區(qū)間隧洞零距離下穿既有4號線福民站(見圖1、圖2)，下穿段右線長28.059 m(里程YDK18+195.542—YDK18+223.601)，左線長28.877 m(里程ZDK18+191.183—ZDK18+220.060)，斷面形式為矩形，寬6.6 m，高7.885 m；左右線隧道平行布置，凈距為8.9 m；隧道軸線與既有4號線福民站軸線呈75°夾角。新建車站地下連續(xù)墻與既有福民站地下連續(xù)墻之間的距離僅為3.0 m。

4號線福民站為地下二層車站，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻支護(hù)，地下墻與內(nèi)襯墻作疊合式結(jié)構(gòu)，厚度達(dá)到800 mm的地下連續(xù)墻，以及400 mm厚的內(nèi)襯墻，900 mm厚的底板；整個下穿過程中，設(shè)計(jì)方案運(yùn)用了沿4號線底板的“全斷面注漿+CRD平頂直墻暗挖”的設(shè)計(jì)方案，開挖前對隧道間及隧道外輪廓3 m范圍土體進(jìn)行超前深孔注漿加固，并對側(cè)壁進(jìn)行超前小導(dǎo)管補(bǔ)注漿加固。

下穿段需穿越7號線、4號線車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)(共三道地下連續(xù)墻)，初期支護(hù)采用型鋼鋼架+全包雙層φ8鋼筋網(wǎng)@150×150 mm+噴射350 mm厚C25早強(qiáng)混凝土，二襯采用全包柔性防水層+600 mm厚模筑C35P10鋼筋混凝土。

圖1 皇福區(qū)間下穿4號線福民站段位置關(guān)系平面圖

圖2 皇福區(qū)間下穿4號線福民站段位置關(guān)系縱剖面圖

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用FLAC3D拉格朗日有限差分方法分析軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算(見圖3)，三維模型選取寬度為200 m，模型延伸方向與深圳地鐵7號線走向相同，與福民地鐵站結(jié)構(gòu)成75°相交，模型為減小影響長應(yīng)達(dá)到280 m。模型深度取60 m，從上至下按工程勘探實(shí)際情況近似賦予地層厚度：5 m、5 m、6 m、7 m、7 m、30 m，地下水位根據(jù)實(shí)際情況平均取為地表下3 m。福民站模型為兩層結(jié)構(gòu)，層高4.6 m與5.9 m，層間結(jié)構(gòu)厚度為0.8 m、0.4 m、0.9 m，支撐立柱截面為邊長1.1 m正方形，側(cè)墻厚度0.4 m，地下連續(xù)墻0.8 m。隧道結(jié)構(gòu)與車站結(jié)構(gòu)底板“零距離”接觸。模型共有62 540個單元，67 133個節(jié)點(diǎn)。

圖3 數(shù)值模型

2.2 數(shù)值計(jì)算分析方法

運(yùn)用實(shí)體單元對既有建筑等進(jìn)行模擬，并賦予不同的材料參數(shù)。利用生死單元法分步移除和激活不同的單元，動態(tài)模擬工程施工過程。模擬過程考慮地下水的影響。其數(shù)值計(jì)算分析方法如下：

(1) 法向約束應(yīng)被施加于該模型被設(shè)定為地表自由邊界的上邊界面。

(2) 為準(zhǔn)確模擬下穿段施工實(shí)際狀況，下穿段總體施工順序：先右線后左線，右線采用雙向開挖，先從7號線福民站(由東向西)開挖至對側(cè)地連墻處，再從相對方向挖通，直至右側(cè)挖通后，左側(cè)便可進(jìn)行下穿，施工方向從兩端向中間。

(3) 隧道支護(hù)分為兩部分，初期型鋼臨時支護(hù)與混凝土二襯支護(hù)，此處均簡化為彈性支護(hù)方式，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其本構(gòu)關(guān)系為FLAC3D軟件內(nèi)置線彈性模型；全斷面預(yù)注漿加固，計(jì)算中將注漿加固簡化為矩形隧道斷面向外延伸3 m形成的注漿加固圈；車站結(jié)構(gòu)，包括邊墻、立柱、頂板、底板、地連墻等根據(jù)設(shè)計(jì)說明主要為混凝土結(jié)構(gòu)，均采用彈性單元進(jìn)行模擬。

2.3 計(jì)算參數(shù)

通過對摩爾庫倫模型下的土體和地質(zhì)條件分析，將不同地層的土體概化后分為六層；賦存條件下，區(qū)域地下水分別以松散巖類孔隙水和基巖裂隙水為代表。地下水位埋深1.80 m～4.20 m，水位高程1.10 m～3.36 m，取地表下3 m為平均地下水位線。注漿加固區(qū)采用摩爾-庫倫模型，具體參數(shù)參考類似工程賦予。地基及其他結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層及其他結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

首先對開挖完成后整體結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行分析，如圖4所示。從圖4中可以看出，下穿隧道施工完成后，結(jié)構(gòu)變形最大部位發(fā)生在車站結(jié)構(gòu)底板與隧道拱頂相接處，最大變形量為向下沉降2 cm。由于數(shù)值計(jì)算所需取工程力學(xué)參數(shù)相對較小，且力學(xué)模型采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其彈性模量對于結(jié)構(gòu)變形影響較大，因此所產(chǎn)生的變形量相對于實(shí)際工程監(jiān)測值較大。除負(fù)二層底板外，隧道結(jié)構(gòu)上方的各層底板、頂板與車站立柱均出現(xiàn)了與周邊相比較為明顯的變形，特別是隧道拱頂上方車站立柱，其底部豎向變形最大，起到了支撐、傳導(dǎo)變形的作用，其穩(wěn)定性會進(jìn)一步影響上層結(jié)構(gòu)，施工中應(yīng)特別注意。施工中底面豎向位移過大，由于支護(hù)體系強(qiáng)度較大，位移主要限制在了注漿加固區(qū)，對隧道凈空影響較小，但支護(hù)體系可能承受較大壓力。

由于此工程中工程條件與控制標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格，施工中采取了右線隧道先行開挖的施工方式，以達(dá)到減小隧道開挖施工的相互影響，因此進(jìn)一步研究開挖施工對隧道的相互影響，圖5為右線隧道施工完成時與左線隧道初步開挖時整體結(jié)構(gòu)變形云圖。由圖5可以看出左線隧道開挖對右線隧道周邊結(jié)構(gòu)變形影響較小，右線隧道襯砌結(jié)構(gòu)以及上方車站底板、立柱等處變形并無明顯變化，而車站結(jié)構(gòu)上覆土處受左線開挖影響，結(jié)構(gòu)變化幅度大，豎向位移也隨之提高。這說明雙線隧道開挖之間確實(shí)存在相互影響，但合理的施工工藝設(shè)計(jì)，以及主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，使這一影響帶來的額外結(jié)構(gòu)變形明顯降低，全斷面注漿加固技術(shù)也起到了良好的控制效果。

圖4 雙線隧道施工完成模型整體沉降

圖5 雙線隧道施工影響對比云圖

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

分析結(jié)構(gòu)的受力情況，主要應(yīng)力集中于整體結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的受拉受壓狀態(tài)，如圖6所示，在選取截面上，得到的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力模擬結(jié)果如下：

對于最大主應(yīng)力：(1) 整體模型地層部分主要承擔(dān)壓應(yīng)力，而隧道支護(hù)以及車站結(jié)構(gòu)則承受拉應(yīng)力，尤其隧道周邊結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力較大，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左線隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)左上角及其相接車站底板處；(2) 滯后開挖的隧道其支護(hù)結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力大于先行開挖的隧道；(3) 車站立柱結(jié)構(gòu)同樣承受較大的拉應(yīng)力，但其數(shù)值遠(yuǎn)小于與隧道結(jié)構(gòu)相接部位，可達(dá)1×105數(shù)量級，距隧道結(jié)構(gòu)較近的立柱承受拉應(yīng)力相對較大，主要集中于負(fù)二層立柱結(jié)構(gòu)下部，可達(dá)2×105Pa～3×105Pa，其余結(jié)構(gòu)部分承受應(yīng)力較為平均。

對于最小主應(yīng)力，整體模型均主要承受壓應(yīng)力，應(yīng)力集中部位與最大主應(yīng)力大致相同，應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在左線隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)左上角部位，但與最大主應(yīng)力情況下不同的是，其具體數(shù)值與其他部位相對較為接近，受力不平衡情況相對較輕。

總體來說結(jié)構(gòu)受力仍在其設(shè)計(jì)強(qiáng)度承受范圍內(nèi)，但存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與既有車站結(jié)構(gòu)相接部位應(yīng)力集中現(xiàn)象突出，尤其是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)拐角部位，是結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載最大的部位。車站立柱受力不平衡，越靠近隧道其受力不均現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，但仍在設(shè)計(jì)強(qiáng)度承受范圍內(nèi)，與應(yīng)力集中部位相比應(yīng)力較小。距離隧道結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)的車站結(jié)構(gòu)受開挖影響較小。

圖6 整體結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)構(gòu)變化分析

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

根據(jù)本項(xiàng)目現(xiàn)場條件，依照工程相關(guān)規(guī)定受地鐵施工影響的范圍內(nèi)進(jìn)行自動化監(jiān)測，上下行線共布置22個監(jiān)測斷面，分別是上行線11個(R1—R11)，下行線11個(L1—L11)。具體監(jiān)測斷面布置詳見圖7。

監(jiān)測點(diǎn)布置情況如下：地鐵4號線福民站受擬建車站施工影響區(qū)域自動化監(jiān)測斷面均布置在既有線車站范圍內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，同時保證各監(jiān)測點(diǎn)不侵入建筑限界，車站內(nèi)每個斷面布置監(jiān)測點(diǎn)3個，分別是側(cè)壁1個、道床2個。

圖7 自動化監(jiān)測平面布置圖

為保障測量精度，在施工影響監(jiān)測范圍之外設(shè)置3個以上基準(zhǔn)點(diǎn)，嚴(yán)格控制測站與觀測點(diǎn)的距離，測站點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的垂直角小于10°，直線距離控制在150 m以內(nèi)。

隧道施工監(jiān)測項(xiàng)目包含：地層及支護(hù)情況觀察、地表沉降、頂拱下沉、凈空收斂、地下水位、格柵內(nèi)力、圍巖壓力。

4.2 監(jiān)測技術(shù)與方法

本項(xiàng)目監(jiān)測方法分為自動化觀測和人工觀測，自動監(jiān)測為主，與手動監(jiān)測互補(bǔ)。手動監(jiān)測為自動監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行檢查，并作為監(jiān)測緊急儲備。為了保證觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性及可比性，人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測均采用同一監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)志，且在同一時間采集初始值。自動化監(jiān)測擬用徠卡TS30測量機(jī)器人配合Geomos專業(yè)監(jiān)測軟件進(jìn)行。人工觀測擬用徠卡DNA03水準(zhǔn)儀配合水準(zhǔn)尺(沉降觀測)、用徠卡TS30全站儀配合L型棱鏡(水平位移觀測)進(jìn)行。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工期間自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，對福田車站結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行研究分析。由圖8可知，監(jiān)控測點(diǎn)沿4號線富民站延伸方向布置，其中L4—L8與R4—R8測點(diǎn)位于7號線下穿福民車站段，L4—L5與R4—R5位于下穿隧道右線上方，L7—L8與R7、R8位于左線上方，L6R6位于雙線隧道中心線上，其余測點(diǎn)位于下穿段外側(cè)。

(1) 7號線右線施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。從圖8(a)中可以看出R4、R5測點(diǎn)從1月份左右開始出現(xiàn)明顯的隆起現(xiàn)象，各測點(diǎn)高程變化趨勢相同，且R4-1、R5-1測點(diǎn)隆起量近乎相同，明顯小于其余各測點(diǎn)。由測點(diǎn)布置可知，R4-1、R5-1為拱腰處測點(diǎn)，其余4測點(diǎn)為道軌處測點(diǎn)，可知距下穿隧道較近測點(diǎn)隆起量較大，主要由于注漿壓力控制不合理。隨下穿施工進(jìn)行隆起量逐漸平穩(wěn)降低，是由于開挖造成結(jié)構(gòu)下沉與隆起相抵消，沉降發(fā)育平穩(wěn)。

圖8(b)為L4、L5監(jiān)測點(diǎn)高程變化情況，在R4、R5兩點(diǎn)一個月左右后也就是2月份，其高程變化程度很明顯。L4—L5測點(diǎn)中，拱腰處測點(diǎn)L4-1、L5-1，隨施工進(jìn)行發(fā)生沉降，沉降發(fā)育速度較為平穩(wěn)，3月—4月期間發(fā)生沉降發(fā)育速度過快現(xiàn)象，沉降最大值達(dá)到13 mm。L4—L5中其余監(jiān)測點(diǎn)在施工進(jìn)行至該斷面時突然發(fā)生較大隆起，且隆起測點(diǎn)均位于道軌處，距離注漿加固區(qū)域較近，推測與注漿控制有關(guān)。隨施工進(jìn)行L4-2、L4-3、L5-2、L5-3測點(diǎn)高程注漿降低，隆起下降，且下降趨勢與L4-1、L5-1沉降趨勢基本相同，故同樣可認(rèn)為由于開挖造成結(jié)構(gòu)下沉與隆起相抵消造成的。

圖8 7號線下穿段右線隧道上方車站監(jiān)測點(diǎn)高程變化

(2) 7號線左線施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。圖9為下穿段左線高程累計(jì)變化曲線，對比圖9(a)、圖9(b)兩圖，R7、R8各測點(diǎn)于1月份開始產(chǎn)生一定隆起主要由于此時開始進(jìn)行注漿加固造成，2月份之后測點(diǎn)開始產(chǎn)生下沉，施工路線從左開始，同時按東西走向開挖從右側(cè)直至地連墻，與施工順序計(jì)劃相符；L7、L8測點(diǎn)2月份開始產(chǎn)生輕微沉降，是受右線隧道開挖影響，因?yàn)榇藭r右線開挖至南北向同一地連墻位置。R7、R8與L7、L8監(jiān)測點(diǎn)中道床處測點(diǎn)均在4月左右產(chǎn)生顯著隆起，隆起發(fā)育迅速，最大隆起量13 mm以上，此時左線開始正式注漿加固施工，隨后進(jìn)行雙向開挖工作，測點(diǎn)高程迅速下降，高程累計(jì)變化穩(wěn)定在-5 mm～5 mm。隨后左線由西向東繼續(xù)進(jìn)行注漿加固與開挖，由于距離相對較遠(yuǎn)，L7、L8監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生輕微隆起，抬升量約為5 mm。

對比圖9(b)與圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)5月份起 L側(cè)測點(diǎn)高程變化趨勢幾乎相同，但左線測點(diǎn)變化幅度相對更大，進(jìn)一步對比雙線隧道中線位置L側(cè)測點(diǎn)5月份高程變化，見圖10，其趨勢依舊相同，變化幅度介于二者之間，可以認(rèn)為這一變化趨勢均是由于左線施工造成，受影響大小與其距離成反比。

圖9 7號線下穿段左線隧道上方車站監(jiān)測點(diǎn)高程變化

圖10 7號線下穿段隧道中線上方車站監(jiān)測點(diǎn)高程變化

5 結(jié) 論

(1) 隧道結(jié)構(gòu)上方的各層底板、頂板與車站立柱均出現(xiàn)了與周邊相比較有明顯的變形，越接近隧道結(jié)構(gòu)，變形越大，特別是起支撐、傳導(dǎo)變形作用的立柱，應(yīng)予以注意。

(2) 方形隧道邊角處應(yīng)力易出現(xiàn)集中現(xiàn)象，此工程中拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左線隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)左上角及其相接車站底板處，地底隧道施工時應(yīng)注意對應(yīng)力較為集中的地方進(jìn)行加固。

(3) 高強(qiáng)度型鋼支撐短時間撤銷，帶來了圍巖變化的二次發(fā)育，致使沉降進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)盡量縮短換撐的間隔。

(4) 注漿加固后進(jìn)行隧道開挖易出現(xiàn)先隆起再沉降的不安全因素，監(jiān)測控制不僅應(yīng)滿足最終沉降量要求，應(yīng)注意施工過程中沉降量的實(shí)時變化情況，其及時對施工過程進(jìn)行調(diào)整，保證注漿過程中的施工安全。

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[12] 張立陽.地鐵盾構(gòu)下穿高速鐵路高架線變形分析及風(fēng)險(xiǎn)控制研究[D].北京：北京交通大學(xué),2012.

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The Settlement and Controlling Measures of Subway Station in Short Distance During the Under-passing of Metro Tunnel Construction

LIU Jianmei, LIU Yang

(The7thInstituteofGeology&MineralExplorationofShandongProvince,Linyi,Shandong276000,China)

Based on the line 7 of Shenzhen metro project, it focuses on the safety control technology for the construction one subway tunnel beneath existing subway station in short distance. Using numerical calculation to analyze and simulate the actual engineering situation. According to the engineering geological conditions, by comparing the results of the monitoring data analysis, this paper proposed the time-space effects of the full-sectional grouting. Much attention should be paid to the uplift of grouting reinforcing area. Adjusting the construction process timely can ensure construction safety in the process of grouting.

monitoring measurement; safety control; numerical calculation; short distance under-passing

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.039

2016-07-04

劉建美(1982—)，女，山西大同人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查工作。 E-mail：254731631@qq.com

U231

A

1672—1144(2016)06—0202—06