伍勁鋒

摘 要：以北京地鐵 4 號線宣武門站人行通道平行上穿既有線為背景，研究中隔壁法（CRD 法）開挖施工對地下既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響。采用有限元平面應(yīng)變力分析模型，研究 CRD 法不同開挖方案對既有線隧道結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果對 CRD 法施工進行優(yōu)化。結(jié)果表明，先行開挖緊鄰既有線部分可以有效降低掌子面分部開挖卸荷的地層應(yīng)力，其對既有線隧道結(jié)構(gòu)受力和形變的影響顯著低于先行開挖背離既有線部分。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;平行上穿;既有線;CRD 法;施工技術(shù)

中圖分類號：TU457

CRD法，又稱交叉中隔壁法，是一種適用于地質(zhì)條件差、隧道埋深淺且周邊環(huán)境復(fù)雜的暗挖施工方法，該開挖方法要求每一個開挖步都各自封閉成環(huán)，兼有臺階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)點，對于控制地表沉陷及地層變形具有良好的效果[1]，在城市地鐵、市政管線和公路淺埋隧道等工程中的應(yīng)用越來越廣泛[2]。王薇等利用有限單元法研究了CRD法在某城市地下公路淺埋暗挖隧道的應(yīng)用，結(jié)果表明，CRD法在控制地層變形方面效果顯著[3];周保生研究了CRD法在深圳市軌道交通9號線給排水管改遷工程中的應(yīng)用，并改進了CRD法施工工藝，加快了施工進度，同時又保障了施工安全[4];鄧一等采用離散元法研究了CRD法不同工序?qū)訝钏淼缼r體應(yīng)力和位移變化規(guī)律的影響，結(jié)果表明，巖層傾向與開挖工序的關(guān)系密切[5]。由此可見，研究CRD法在具體工程中的施工方法，對保障工程施工安全具有重大的意義。

北京地鐵4號線宣武門站新增換乘通道工程，東北象限正北方向的一段人行通道在地鐵4號線的側(cè)上方平行穿越，且初支的外邊界緊鄰地鐵4號線，因此，采用CRD法施工控制地層變形，減少人行通道施工對既有線的影響。本文利用有限元軟件建立“地層-人行通道-既有線”的平面應(yīng)變力學(xué)模型，對比分析CRD法2 種不同開挖方案對既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響，優(yōu)化CRD開挖方法，提升開挖施工過程的安全性。2種開挖方案為：方案1，先行開挖緊鄰既有線部分，即開挖步序是左上、左下、右上、右下;方案2，先行開挖背離既有線部分，即開挖步序是右上、右下、左上、左下。

1 工程概況

北京地鐵宣武門站是4號線與2號線的換乘車站，2號線車站東西向布置，4號線車站南北向布置。為改善2線之間換乘能力嚴重不足，新建西北、東北、西南3條換乘通道實現(xiàn)4號線向2號線的換乘。東北象限正北方向新增人行通道平行上穿既有4號線區(qū)間，平行穿越長度約為300 m，通道結(jié)構(gòu)為馬蹄形斷面，標準斷面開挖跨度10.1 m，開挖高度8.4 m，初支外皮與區(qū)間凈距約2.2 m，為特級風(fēng)險源（圖1）。

2 有限元數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 計算模型

新增通道與既有4號線區(qū)間結(jié)構(gòu)大范圍平行，開挖擾動對地層和既有結(jié)構(gòu)變形的影響主要體現(xiàn)在橫截面內(nèi)，因此，本項目可以簡化為平面應(yīng)變力學(xué)問題進行分析。采用有限元軟件PHASE2D建立二維數(shù)值模型如圖2所示。模型長50 m，高30 m，頂部為自由邊界，兩側(cè)及底部采用法向位移約束。地層以及深孔注漿加固區(qū)采用實體單元進行模擬，劃分為三角形單元;新增通道和4號線的二襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用殼單元進行模擬;整個模型共計2 567個單元，3 458個節(jié)點。

假定土層是均質(zhì)的和各向同性的，且為水平層狀分布，其變形破壞特征符合摩爾-庫倫準則，既有線結(jié)構(gòu)、通道初支和二襯。均簡化為彈性本構(gòu)模型。各土層的力學(xué)參數(shù)見表 1，深孔注漿加固的力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 模擬步序

CRD法開挖分區(qū)示意圖如圖3所示。本文主要研究2種不同的開挖方案對既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響。方案1，模擬步序是先行開挖緊鄰既有線部分，即開挖順序依次是Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ;方案2，模擬步序是先行開挖背離既有線部分，即開挖順序依次是Ⅲ→Ⅳ→Ⅰ→Ⅱ。在開挖Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)時，均采用預(yù)留核心土方法。方案1模擬步序如下。

（1）進行初始地應(yīng)力平衡的計算，模擬施工開挖前既有線所處地層的應(yīng)力場和位移場。

（2）開挖Ⅰ區(qū)導(dǎo)洞并保留核心土，激活初支結(jié)構(gòu)單元，修改加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)，施作初支，及時進行初支背后注漿。

（3）開挖Ⅰ區(qū)核心土部分，施作仰拱，激活仰拱結(jié)構(gòu)單元。

（4）開挖Ⅱ區(qū)土體，激活該區(qū)初支結(jié)構(gòu)單元，修改加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)，然后激活該區(qū)仰拱結(jié)構(gòu)單元。

（5）采用與Ⅰ區(qū)相同的方法開挖Ⅲ區(qū)。

（6）采用與Ⅱ區(qū)相同的方法開挖Ⅳ區(qū)。

（7）拆除下部臨時中隔壁結(jié)構(gòu)單元，激活二襯結(jié)構(gòu)單元。

（8）拆除上部臨時中隔壁結(jié)構(gòu)單元，完成施工過程模擬。

方案2模擬步序與上述（1）～（8）類同，從Ⅲ區(qū)開始模擬開挖。

3 計算結(jié)果分析

3.1 先行開挖緊鄰既有線部分（方案 1）

3.1.1 既有線結(jié)構(gòu)位移趨勢

圖4為先行開挖緊鄰既有線部分（方案1）條件下不同模擬步序時的位移云圖。下面根據(jù)圖4分析各個模擬步序時的位移變化。

（1）由圖4a可知，預(yù)留Ⅰ區(qū)核心土待開挖，此時位移主要集中在核心土的臺階部分，根據(jù)位移箭頭可看出核心土底部土體發(fā)生局部上拱，而既有線部分的位移不明顯。

（2）由圖4b可知，當(dāng)完成Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的開挖并施工左側(cè)的初支和橫向隔墻時，橫向隔墻的位移最大，Ⅱ 區(qū)底部土體呈上拱變形，既有線右線的位移箭頭指向已開挖區(qū)，表明此步的開挖擾動已引起既有線發(fā)生形變，橫向隔墻在抑制地層和結(jié)構(gòu)變形中發(fā)揮了顯著作用。

（3）由圖4c可知，當(dāng)全部完成開挖并施工初支、橫豎向隔墻時，開挖擾動引起的既有線結(jié)構(gòu)位移達到最大，左線和右線位移箭頭均指向開挖區(qū)，同時，橫、豎向隔墻的位移最顯著，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)底部土體發(fā)生上拱變形，由此表明，隨著開挖卸荷范圍的擴大，地層擾動的范圍亦隨之增大，隔墻繼續(xù)發(fā)揮抑制地層和結(jié)構(gòu)變形的作用。

（4）由圖4d可知，當(dāng)拆除全部隔墻并施工完二襯以后，二襯結(jié)構(gòu)的位移最顯著，表明此時二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)了地層松動引起的主要荷載，有效地抑制了既有線結(jié)構(gòu)的形變。

3.1.2 既有線結(jié)構(gòu)計算點位移

圖5為既有線左線和右線結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的位移和應(yīng)力計算點布置示意圖，其中，Z4和Y4分別表示左線和右線距離開挖區(qū)最近的計算點。

圖6、圖7分別為既有線左線和右線計算點位移、應(yīng)力與模擬步序的關(guān)系曲線，圖6、圖7分析如下。

（1）隨著開挖范圍的增大，左線和右線計算點的位移不斷增大，在模擬6步序時（即完成4個分區(qū)的全部開挖和初支施工），位移達到最大值，隨著二襯的施工，左線和右線計算點的位移有所回落。對比圖6a和圖6b可知，新增通道施工對右線形變的影響顯著大于左線，左線Z2計算點（底拱）的形變最大，右線Y3計算點形變最大。

（2）左線和右線計算點的豎向應(yīng)力變化趨勢與位移變化趨勢一致，即應(yīng)力擾動幅度隨開挖面積增大而不斷增大，在模擬步序6時達到最大值，并在二襯施工完成后，應(yīng)力擾動幅度有所回落，另外，應(yīng)力擾動最大點對應(yīng)的位置是左線Z2計算點和右線Y3計算點。由此說明，開挖卸荷的應(yīng)力擾動是引起既有線結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的本質(zhì)原因，距離開挖區(qū)越近，擾動幅度越大，對左線的底拱影響最大，而對右線的右側(cè)墻擾動最大。

3.2 先行開挖背離既有線部分（方案 2）

3.2.1 既有線結(jié)構(gòu)位移趨勢

圖8表示先行開挖背離既有線部分條件下不同模擬步序的位移云圖。下面根據(jù)圖8分析各個模擬步序的位移變化。

（1）由圖8a和圖8b可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)開挖完成后，變形主要集中在開挖區(qū)附近土體及橫向隔墻，對既有線結(jié)構(gòu)的位移影響較少，這是由于開挖區(qū)距離既有線結(jié)構(gòu)較遠。

（2）由圖8c和圖8d可知，當(dāng)整個斷面開挖完成且初支施工后，既有線結(jié)構(gòu)存在顯著位移，二襯施工完成后在一定程度上抑制了地層的形變對既有線結(jié)構(gòu)的影響，由此可見，既有線結(jié)構(gòu)形變主要來自于開挖Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)應(yīng)力擾動。

3.2.2 既有線結(jié)構(gòu)計算點位移

圖9、圖10分別表示既有線左線和右線計算點位移、應(yīng)力與模擬步序的關(guān)系曲線，圖9、圖10分析如下。

（1）既有線結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力擾動幅度在模擬步序6之前不斷增大，然后隨著二襯施工完成，兩者的值有所下降。

（2）左線Z2計算點應(yīng)力擾動和形變最顯著，右線Y3計算點應(yīng)力擾動和形變最顯著。

4 結(jié)論及建議

方案1在整個施工過程對既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著擾動影響，而方案2在施工左上開挖分區(qū)Ⅰ、左下開挖分區(qū)Ⅱ?qū)扔芯€結(jié)構(gòu)擾動不大，因此，若對左上開挖分區(qū) Ⅰ、左下開挖分區(qū)Ⅱ施工過程有嚴格位移控制要求的，建議優(yōu)先選擇方案2。然而，方案1的最終擾動程度顯著低于方案2，因此，從最終的安全控制角度來看，推薦采用方案1。

參考文獻

[1]張旭，張成平，韓凱航，等. 隧道下穿既有地鐵車站施工結(jié)構(gòu)沉降控制案例研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2017，39（4）：759-766.

[2]陶連金， 李積棟， 汪國峰. CRD+頂撐控制技術(shù)在密貼下穿工程中的應(yīng)用[J]. 鐵道工程學(xué)報， 2013， 30（7）：74–79.

[3]王薇，潘文碩，卞家勝，等 .城市地下公路隧道淺埋暗挖施工方法優(yōu)化及應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（5）：209-216.

[4]周保生. 超淺埋暗挖隧道優(yōu)化CRD法施工技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018，55（4）：186-190.

[5]鄧一，沙鵬，練浩，等. 層狀巖體隧道CRD法施工工序數(shù)值模擬研究[J]. 公路，2020（4）： 377-382.

[6]高波，李方明，朱利明，等. 地鐵車站深基坑鄰近淺基礎(chǔ)房屋保護措施研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2018，55（6）：123-129.

[7]李奎， 李志業(yè)， 高波. 既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全性評估方法研究[J]. 巖土力學(xué)， 2011，32（4）： 1193-1199.

[8]張志勇. 暗挖通道包穿既有結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及其應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51（1）：130-137.

[9]劉莎. 緊臨既有地鐵站兩側(cè)深基坑支護與施工方案研究[J]. 鐵道建筑技術(shù)， 2014（增1）：367-370，379.

[10] 張文龍. 鄭州地鐵CRD法淺埋暗挖通道可行性研究[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計，2016（10）：75-77，80.

[11] 陳林杰，梁波，王國喜. 淺埋暗挖超大斷面地鐵車站隧道開挖方法研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2013，9（4）：928-933.

[12] 盧冠群，胡迎迎. 軟弱地層地鐵隧道側(cè)穿橋樁群施工安全控制技術(shù)研究[J]. 湖南交通科技， 2019，45（2）：146-148，164.

[13] 溫克兵，盧艷. 盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道監(jiān)測分析[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2017（8）：28-32.

[14] 郭宏博，李少友. 新建地鐵車站大斷面密貼暗挖下穿既有地鐵車站施工方案[J]. 施工技術(shù)， 2018，47（增1）：576-580.

[15] 沈小輝，魏云杰，陶連金，等. 隧道密貼下穿地鐵車站結(jié)構(gòu)變形數(shù)值分析[J]. 鐵道建筑， 2012（5）：85-87.

[16] 王莉，張力，孫禮超，等. 地鐵車站二氧化碳相變致裂法施工的動力響應(yīng)分析[J]. 城市軌道交通研究，2019，22（6）：94-98.

[17] 萬良勇，宋戰(zhàn)平，曲建生. 新建地鐵隧道“零距離”下穿既有車站施工技術(shù)分析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（1）：168-176，183.

[18] 于軍. 淺埋暗挖隧道零距離下穿既有地鐵車站施工方案優(yōu)化研究[J]. 隧道建設(shè)， 2013， 33（1）：22-26.

[19] 李兆平，史磊磊. 北京地區(qū)暗挖地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究進展綜述[J]. 隧道與地下工程災(zāi)害防治，2019，1（3）：14-21.

收稿日期 2020-05-15

責(zé)任編輯 朱開明