馮英會(huì)

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，城市交通環(huán)境越來越復(fù)雜，導(dǎo)致新建地鐵工程穿越鄰近建構(gòu)筑物的高風(fēng)險(xiǎn)情況日益增多，甚至?xí)霈F(xiàn)“零距離”等惡劣施工條件下的穿越工程［1］。許多學(xué)者對(duì)新建隧道工程穿越鄰近建構(gòu)筑物的變形規(guī)律及特征進(jìn)行過研究［2-5］，其中包括對(duì)鄰近橋梁樁基［6］、建筑物、鐵路［7］、車站等結(jié)構(gòu)的分析，獲取了許多有益的結(jié)論［8-10］。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以北京地鐵19號(hào)線一期工程積水潭站～北太平莊站區(qū)間密貼下穿既有地鐵2號(hào)線積水潭站及積水潭站～西直門站區(qū)間為例，采用Midas-Gts有限元分析軟件對(duì)各施工階段進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算［11］，并和現(xiàn)場實(shí)測變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比，總結(jié)出密貼下穿施工影響下車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，得出各施工階段對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形的貢獻(xiàn)量，為分階段控制施工變形量及類似工程施作提供參考。

2 工程概況

2.1 新建工程概況

新建北京地鐵19號(hào)線積北區(qū)間下穿既有地鐵2號(hào)線積水潭站及積西區(qū)間的周邊環(huán)境復(fù)雜，受到鄰近城市立交橋樁位、預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)和電力隧道的限制，隧道線路可調(diào)整空間狹小、斷面受限，新建隧道結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)豎向間距僅為0.3 m。經(jīng)過多種下穿方案比選，最終確定新建左、右線下穿段采用4導(dǎo)洞CRD工法施工［12］的平頂直墻斷面隧道密貼下穿既有車站及區(qū)間來解決該部位建筑限界問題。下穿平頂直墻斷面前后3 m范圍為過渡段，其余為標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形斷面。

2.2 既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)概況

2號(hào)線車站為上下兩層，上層站為環(huán)線站；下層站為遠(yuǎn)期站，根據(jù)需要只做了一段長37.7 m立交段。環(huán)線站東西各有一個(gè)喇叭口，西北、西南、東南、東北四個(gè)出入口和一座通風(fēng)道。2號(hào)線積西區(qū)間埋深約8 m。區(qū)間隧道為平頂直墻斷面，左線斷面尺寸為7 400 mm×8 630 mm，右線斷面尺寸為7 400 mm×8 630 mm和6 800 mm×8 630 mm。

2.3 新建地鐵與既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)相對(duì)位置關(guān)系

如圖1、圖2所示，新建19號(hào)線積北區(qū)間1號(hào)豎井、橫通道鄰近既有2號(hào)線積水潭站及積西區(qū)間。1號(hào)豎井外輪廓尺寸7.3m×5.6m，深24.53m，距離既有2號(hào)線積西區(qū)間42.6 m；1號(hào)橫通道寬4.6 m，高8.7m，覆土12.83～14.96m，距離既有2號(hào)線積西區(qū)間最近處約18.8m，距離2號(hào)線積水潭站最近約11m。

圖1 新建19號(hào)線積北區(qū)間下穿2號(hào)線既有結(jié)構(gòu)縱剖面圖

圖2 新建19號(hào)線積北區(qū)間下穿2號(hào)線既有結(jié)構(gòu)橫剖面圖

2.4 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

根據(jù)勘察報(bào)告，地層從上至下依次為：粉土填土①層、雜填土①1層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、粉細(xì)砂③3層、卵石⑤層、中粗砂⑤1層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土⑤3層、粉質(zhì)黏土⑥層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土⑥2層、粉細(xì)砂⑥3層、卵石⑦層、中粗砂、卵石⑨層等。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，場地賦存一層地下水，地下水類型為層間水（三），年變幅約為2～3 m，埋深為25.8～28.87 m，主要分布于卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉細(xì)砂⑦2層、卵石⑨層。

2.5 控制措施

為控制新建19號(hào)線積北區(qū)間密貼下穿既有2號(hào)線積水潭站及積西區(qū)間引起的結(jié)構(gòu)變形，確保安全，積北區(qū)間下穿段綜合采取了全斷面深孔注漿加固、單線四導(dǎo)洞開挖CRD工法并及時(shí)施作初支，分段、隔段施作二襯結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)措施處理方案。

3 數(shù)值模擬模型建立

3.1 基本模型

考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，應(yīng)在涉及到的有效影響結(jié)構(gòu)變形范圍內(nèi)取計(jì)算模型。本次取長225 m、寬124m，自地表向下60m厚的土體作為考察范圍，包括新建19號(hào)線積北區(qū)間豎井橫通道、積北區(qū)間，積水潭站G2出入口，換乘通道1，換乘通道2在內(nèi)的鄰近、下穿既有2號(hào)線結(jié)構(gòu)，以及對(duì)既有2號(hào)線結(jié)構(gòu)改造等施工的影響范圍。計(jì)算模型中周圍土體采用實(shí)體單元（共423 316個(gè)單元，76 928個(gè)節(jié)點(diǎn)），不同的地層采用不同的材料模擬。具體如圖3、圖4所示。

圖3 新建結(jié)構(gòu)與既有車站、區(qū)間有限元模型

圖4 新建結(jié)構(gòu)與既有車站、區(qū)間位置關(guān)系

3.2 模型邊界條件

邊界條件設(shè)置頂面為自由邊界，其他面均為法向約束。

3.3 基本假定

（1）既有地鐵2號(hào)線積水潭站和積西區(qū)間結(jié)構(gòu)為線彈性材料。

（2）新建車站、區(qū)間與既有地鐵2號(hào)線積水潭站、積西區(qū)間結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

3.4 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地勘資料和相關(guān)規(guī)范，計(jì)算選取參數(shù)見表1及表2。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.5 模擬工序

按現(xiàn)場施工階段確定模擬工序見表3。

表3 施工模擬工序

續(xù)表3

4 施工過程既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形分析

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于實(shí)際尚未進(jìn)行左線小導(dǎo)洞拆撐，本節(jié)內(nèi)容主要是針對(duì)工況1～工況6的模擬結(jié)果分析平頂直墻密貼下穿既有地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

如圖5所示，選擇圖示路徑（從左至右里程為B104+70～B102+40，并且分布有8條變形縫，依次命名為變形縫1～變形縫8）繪制既有主體結(jié)構(gòu)的沉降曲線（見圖6、圖7），分析施工各階段引起的既有結(jié)構(gòu)變形特征。

圖5 既有結(jié)構(gòu)變形考察路徑示意

圖6 模擬各階段單獨(dú)引起的既有結(jié)構(gòu)沉降曲線

圖7 模擬各階段引起的既有結(jié)構(gòu)累積沉降曲線

通過模擬計(jì)算分析可知：橫通道施工完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降量為0.04 mm，發(fā)生在B103+87位置處。

當(dāng)開挖區(qū)間右線左半幅土體并施作初支階段，如圖6所示，工序2單獨(dú)引起的最大沉降量為0.95 mm，發(fā)生在B103+69位置，在同一位置累積最大沉降量為0.99 mm，此時(shí)單工序引起的沉降量和累積沉降量最大位置相同，主要由于前一工序施作橫通道階段橫通道距離既有主體結(jié)構(gòu)相對(duì)較遠(yuǎn)，土體開挖卸荷效應(yīng)不強(qiáng)。

工況3開挖右線右半幅土體并施作初支完成后，既有結(jié)構(gòu)累積最大沉降為1.9 mm，該階段單獨(dú)引起的既有結(jié)構(gòu)最大沉降為0.90 mm，位于B103+69區(qū)間隧道南側(cè)。施作隧道右線右半幅階段的沉降比左半幅沉降量小0.05 mm，主要是由于當(dāng)施作右半幅時(shí)左半幅初支已經(jīng)形成一定強(qiáng)度，有利于減小由于土體損失引起的圍巖變形。在工況2和工況3下，單個(gè)階段引起的既有車站結(jié)構(gòu)最大沉降量均位于隧道開挖面上方，且由于臨近開挖面上方存在沉降縫，導(dǎo)致在沉降縫兩側(cè)出現(xiàn)明顯差異沉降，呈現(xiàn)明顯的剛體位移特征。工況2沉降縫累積最大差異沉降為0.67mm，發(fā)生在沉降縫4處，且西側(cè)沉降明顯大于東側(cè)。工況3沉降縫累積最大差異沉降為1.08mm，最大沉降位置仍為沉降縫4處，且工況3單獨(dú)引起的既有結(jié)構(gòu)沉降縫處差異沉降比工況2小0.26 mm。工況4既有結(jié)構(gòu)累積最大沉降量為2.05 mm，位于B103+69區(qū)間隧道南側(cè)，該階段單獨(dú)引起的既有結(jié)構(gòu)沉降量為0.16 mm。

在工況2～工況4階段，積北區(qū)間右線開挖左半幅土體、開挖右半幅土體及右線初支階段的沉降量占整個(gè)右線施工引起的既有結(jié)構(gòu)總沉降量的47%、45%、8%，可知右線施作主要沉降量發(fā)生在開挖土體卸荷階段，當(dāng)土體損失導(dǎo)致應(yīng)力重分布并在初支作用下達(dá)到新的平衡后，施作右線二襯進(jìn)一步對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，且二襯結(jié)構(gòu)自重促進(jìn)了圍巖進(jìn)一步變形。

由于現(xiàn)場施工進(jìn)度原因，本次模擬計(jì)算僅考慮至積北區(qū)間左線土體全部開挖完成階段。工況5左線右半幅土體開挖并施作初支完成后，既有結(jié)構(gòu)累積最大沉降為2.36 mm，位于B103+69區(qū)間隧道南側(cè)，左線右半幅施作單獨(dú)引起的車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降量為0.97 mm，位于B103+88區(qū)間隧道南側(cè)。既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)最大沉降量位置偏離左線右半幅單獨(dú)引起最大沉降位置主要是積北區(qū)間右線先行引起的沉降量較大，疊加左線右半幅影響后仍舊是右線主要影響區(qū)沉降較大。當(dāng)左線右半幅施作完成后，沉降槽寬度由原來的B103+37～B104+15擴(kuò)大至B103+37～B104+33，既有結(jié)構(gòu)受積北區(qū)間隧道施工影響顯著增大。

工況6左線左半幅土體開挖并施作初支完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降為2.59 mm，位于B103+89區(qū)間隧道南側(cè)，此時(shí)既有隧道結(jié)構(gòu)受先行右線和后行左線的雙線影響，最大沉降量比右線單獨(dú)施作完成時(shí)增幅26.3%，工況6單獨(dú)引起的既有結(jié)構(gòu)最大沉降量為0.90 mm，位于B103+88區(qū)間隧道南側(cè)。綜合分析，左線右半幅、左半幅開挖引起的主體結(jié)構(gòu)變形占左線合計(jì)引起的沉降比率為51.3%、48.7%。

綜合得出，單工況引起既有結(jié)構(gòu)最大沉降發(fā)生在右線隧道施工階段，左線隧道施工階段引起的結(jié)構(gòu)變形影響小于右線隧道，但是增大了沉降槽寬度，引起既有結(jié)構(gòu)更大范圍的沉降，且受左右線施作的影響，既有結(jié)構(gòu)最大沉降位置位于左右線軸線間。由于先行右線開挖影響大，且沉降縫4距離右線軸線、左線軸線的距離均較近，左線平頂直墻隧道密貼下穿引起的既有結(jié)構(gòu)沉降縫最大差異沉降1.25 mm，位于沉降縫4處，且由于左線土體開挖引起結(jié)構(gòu)沉降范圍擴(kuò)大，靠近左線軸線的沉降縫3處差異沉降略小于沉降縫4處差異沉降，既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)在新建工程施工影響階段，需重點(diǎn)關(guān)注變形縫部位的不均勻沉降［13］，以減少對(duì)既有線正常運(yùn)營的影響。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

在隧道施工期間必然會(huì)引起既有車站結(jié)構(gòu)變形，需要對(duì)車站結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)場針對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的布點(diǎn)如圖8所示。

圖8 既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測布點(diǎn)

選取既有結(jié)構(gòu)沉降點(diǎn)SJC202～SJC206為分析對(duì)象，沉降時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9 既有結(jié)構(gòu)測點(diǎn)SJC202～SJC206沉降時(shí)程曲線

從圖9分析，既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降量隨著積北區(qū)間密貼下穿的進(jìn)行逐漸增大，右線左半幅下穿階段，既有結(jié)構(gòu)最大沉降為0.64 mm；當(dāng)右線右半幅穿越完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降為0.91 mm；當(dāng)左線右半幅穿越完成后，既有結(jié)構(gòu)最大沉降為1.09 mm；左線左半幅下穿既有車站結(jié)構(gòu)階段，結(jié)構(gòu)最大沉降為1.22 mm。在密貼下穿施工過程中，既有結(jié)構(gòu)沉降整體表現(xiàn)出“施作右線時(shí)，距離右線較近處沉降大，施作左線時(shí)，最大沉降的位置略偏離右線而位于距離左線較近處”的規(guī)律。其中在施作右線階段，由于現(xiàn)場全斷面深孔注漿影響，導(dǎo)致位于開挖面上方的車站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的隆起，最大隆起量為0.5 mm，當(dāng)開挖左線土體時(shí)，既有結(jié)構(gòu)整體均表現(xiàn)為沉降，且距離隧道軸線越近沉降量越大，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的形成，沉降趨勢趨于穩(wěn)定，最終沉降量并未超過結(jié)構(gòu)變形允許值（3 mm）。

4.3 實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

如圖10所示，選取左、右線完成時(shí)的既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降測點(diǎn)繪制相應(yīng)測點(diǎn)曲線圖。

圖10 既有結(jié)構(gòu)測點(diǎn)SJC201～SJC207實(shí)測、模擬沉降對(duì)比

從圖10分析：隨著積北區(qū)間隧道的施作，既有結(jié)構(gòu)沉降逐漸增大，且距離隧道開挖軸線較近的SJC203、SJC204沉降明顯大于西側(cè)、東側(cè)的其他測點(diǎn)，呈現(xiàn)出典型的隧道施工沉降槽曲線特點(diǎn)。

對(duì)比模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)可知：模擬各工況下的沉降槽特征和實(shí)測曲線趨勢接近，其中主要在隧道右線暗挖施工階段實(shí)測數(shù)據(jù)比模擬數(shù)據(jù)小，主要是該階段全斷面深孔注漿加固地層引起，同時(shí)，初支背后回填注漿也會(huì)引起既有地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)一定程度隆起；當(dāng)左線開挖完成后，模擬數(shù)據(jù)趨勢和實(shí)測基本一致，較好地反映了隧道密貼下穿既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降特征。

分析各工況下當(dāng)前施工階段引起的既有結(jié)構(gòu)最大沉降量占左線完成時(shí)總沉降量的比值可知，實(shí)測右線左半幅、右線右半幅、左線右半幅、左線左半幅單獨(dú)開挖引起主體結(jié)構(gòu)最大沉降量占比分別為52.5%、22.1%、14.8%、10.6%，模擬結(jié)果的占比為41.7%、36.9%、13.2%、8.2%。

5 結(jié)論

經(jīng)數(shù)值模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析了平頂直墻隧道暗挖密貼下穿既有地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降特征，主要結(jié)論如下：

（1）平頂直墻隧道暗挖密貼下穿既有地鐵車站方案可行，采用全斷面注漿及CRD工法能較好地控制既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形。

（2）隧道密貼下穿采用CRD工法施工引起的既有結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律為：當(dāng)注漿壓力較大時(shí)，既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生局部隆起，但是整體仍呈現(xiàn)出“單線分導(dǎo)洞開挖時(shí)先開挖土體對(duì)車站結(jié)構(gòu)沉降影響大于后開挖部分，距離開挖隧道軸線越近的位置沉降越大，雙線隧道先行線比后行線對(duì)結(jié)構(gòu)最大沉降量影響大”的規(guī)律。

（3）通過實(shí)測分析，右線左半幅、右線右半幅、左線右半幅、左線左半幅單獨(dú)開挖引起既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)最大沉降量占比分別為52.5%、22.1%、14.8%、10.6%，與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢基本一致，工程數(shù)值模擬計(jì)算分析結(jié)果可為后續(xù)相似工程分析提供參考。

（4）距離隧道軸線較近位置兩側(cè)沉降縫差異沉降大于隧道軸線較遠(yuǎn)位置。既有車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)置沉降縫能夠有效降低不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，但在施工過程中需密切關(guān)注變形縫差異變形情況，采取必要處理措施，以減少對(duì)既有線運(yùn)營的影響。