地铁隧道邻近施工引起既有车站变形分析

周海清 周彦良

(1.中国葛洲坝集团第一工程公司，湖北 宜昌 443002;2.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

随着城市地铁的大量修建，全国各地出现了很多新建地铁隧道在既有地下结构邻近施工的工程［1］。按照新建隧道与既有结构的空间关系，主要有邻近正交下穿、邻近斜交下穿及邻近平行下穿等几种情况［2-4］。新建地铁隧道施作势必会扰动其周围的地层，对邻近既有地下结构产生影响，主要包括变形(位移)和应力(内力)两个方面，其中变形(位移)是导致既有地下结构应力状态改变的主控因素。故在分析中应重点分析新建地铁隧道施工对邻近既有地下结构产生的沉降影响。

以某市地铁2号线邻近既有地铁车站下穿工程为基础，基于MIDAS/GTS有限元分析软件建立大型三维整体式地下结构—地基有限元分析模型进行分析计算，分析地铁隧道邻近施工引起既有地铁车站的变形(位移)规律。

1 有限元分析模型的建立

1.1 工程概况

某市地铁2号线区间隧道邻近平行下穿既有地铁车站，区间隧道距既有车站横向约2.60 m，竖向约为15.60 m。其中区间隧道为直径线，基本埋深27.95 m，外径6.00 m，采用盾构法施工，C50钢筋混凝土管片拼接式衬砌，衬砌管片厚度为0.30 m;既有地铁车站为明挖法施工，埋深4.50 m，车站横向宽19.70 m，高7.85 m，车站纵向长度约为70 m，车站站台结构为中央岛式，C40钢筋混凝土结构，顶板厚1.00 m，边墙厚0.70 m，底板厚0.90 m，车站柱尺寸为0.60 m×0.60 m。

1.2 计算模型及材料参数

根据新建地铁隧道的工程概况选取有限元计算模型长宽高为80 m×60 m×60 m，新建地铁隧道及既有车站周围土体采用实体单元模拟，新建隧道衬砌采用板单元模拟，既有地铁车站结构采用实体单元模拟，其中土体采用Mohr-Coulomb材料模型，混凝土结构采用线弹性模型。

假设工程范围内的各层土体为各向同性介质，不同土层之间有理想的分界面且满足位移协调条件，新建隧道衬砌结构和既有地铁车站结构与其周围土体为理想接触。模型边界采用一致边界，即在沿模型X向边界面上施加X向的水平位移约束，在沿模型Y向边界面上施加Y向水平位移约束，在沿模型竖向边界面上施加Z向的竖向位移约束。各土层及结构混凝土材料的物理力学参数见表1，模型网格划分如图1，图2所示。

表1 材料物理力学参数

图1 整体模型网格划分示意图

图2 隧道衬砌及既有车站网格划分示意图

1.3 施工阶段模拟

新建地铁区间隧道采用盾构法施工，施工阶段按以下步骤模拟计算:

1)激活各土层单元和既有车站结构单元，施加重力荷载进行初始应力计算，计算完成后位移清零;2)开挖土体，每一循环施工进尺为2 m，每次开挖完成后即进行管片衬砌的施加(激活相应的管片衬砌单元)，计算完成后保存当前阶段的计算结果。整个施工阶段共30个开挖进尺循环，开挖总进尺为60 m，整个模型计算31步。

2 既有地铁车站计算结果及分析

2.1 既有车站变形计算结果

1)观测点的选取。

在既有地铁车站前端横向截面选择左边墙底(1号)、左柱底(2号)、底板中(3号)、右柱底(4号)、右边墙底(5号)为车站横向竖向变形观测点;选择左边墙底(1号)、左边墙中(6号)、左边墙顶(7号)为车站横向水平变形观测点。沿既有车站纵向底板中部每隔6 m依次选取车站纵向竖向变形观测点(共11个)，沿既有车站纵向左边墙中部间隔6 m依次选取车站纵向水平变形观测点(共11个)。

2)计算结果。

既有车站端部横截面各观测点(1号～5号)随新建地铁隧道施工进程的竖向变形曲线如图3所示，各观测点(1号，6号，7号)随新建地铁隧道施工的水平变形曲线如图4所示;沿既有车站纵向各观测点随新建地铁隧道施工进程的竖向位移变化曲线如图5所示，水平位移变化曲线如图6所示。各施工阶段既有车站整体位移云图如图7～图10所示。

图3 既有车站横截面各观测点竖向变形曲线

图4 既有车站横截面各观测点水平变形曲线

图5 沿既有车站纵向各测点竖向变形曲线

图6 沿既有车站纵向各测点水平变形曲线

2.2 既有车站变形分析

1)竖向变形分析。

由图3可以看出，随着新建地铁隧道开挖距离的增加，既有地铁车站底板横向各点的竖向变形逐渐增大，且0 m～30 m开挖区间的增大速度比30 m～60 m开挖区间的大，说明新建地铁开挖施工引起的车站变形的累积效应在减小。同时，1号～5号观测点的竖向位移变化曲线较集中，说明各施工阶段下，既有车站底板的横向不均匀变形较小。

图7 开挖至2 m时既有车站竖向位移云图

图8 开挖至20 m时既有车站竖向位移云图

图9 开挖至40 m时既有车站竖向位移云图

图10 开挖至60 m时既有车站竖向位移云图

由图5可以看出，随着新建地铁隧道开挖距离的增加，沿既有地铁车站纵向各观测点的竖向变形逐渐增大。在相同的施工阶段下，沿既有车站纵向各观测点的竖向变形呈减小态势，且变化范围较大，最大差值出现在开挖40 m工况下，为1.054 cm。说明在新建地铁隧道各施工阶段下，既有车站纵向的竖向不均匀变形较大，在施工时需要重点监控。

由图7～图10可以看出，新建隧道各施工阶段下，既有车站的竖向变形集中在车站端部，车站的整体竖向变形沿纵向变化较大。

2)水平变形分析。

由图4可以看出，随新建地铁隧道开挖距离的增加，既有地铁车站横向左侧墙各点的水平变形逐渐增大，大致为线性增长。同时，1号，6号和7号观测点的水平位移变化曲线较为集中，说明在各施工阶段下，沿既有车站侧墙高度方向上的水平位移差异不大，即不均匀变形较小。

由图6可以看出，随着新建地铁隧道开挖距离的增加，沿既有车站纵向各观测点的水平变形逐渐增大。在相同施工阶段下，沿既有车站纵向各观测点的水平变形呈减小态势，但其变化范围较小，最大差值出现在开挖40 m工况下，为0.079 cm。说明在新建地铁隧道各施工阶段下，既有车站纵向的水平变形较为均匀。

3 结语

通过对新建地铁区间隧道邻近下穿既有地铁车站的施工阶段数值模拟分析，可得到如下结论:

1)地铁隧道邻近下穿施工对既有车站的变形影响是动态的，在实际工程中需要进行动态监测，以确保其变形在安全限值以内。

2)既有车站在地铁隧道邻近下穿时主要产生竖向变形，沿既有车站横向的竖向变形变化不大，但沿车站纵向的竖向变形有较大变化，即需沿隧道纵向布置监控点，重点监测其竖向变形。同时，地铁隧道临近下穿引起的既有车站的水平变形值较小，不需要重点分析。

3)既有车站沿新建地铁隧道掘进方向的端部部位产生了较大的竖向位移值，是地铁隧道施工引起既有地铁隧道变形分析的重点部位。

［1］陈星欣，白 冰.隧道下穿既有结构物引起的地表沉降控制标准研究［J］.工程地质学报，2011，19(1):103-107.

［2］贾永刚，王明年，任世林.地铁区间下穿既有地铁车站结构安全力学分析［J］.铁道学报，2007，29(6):89-94.

［3］李东海，刘 军，萧 岩.盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(S1):3186-3191.

［4］沈小辉，魏云杰，陶连金.隧道密贴下穿地铁车站结构变形数值分析［J］.铁道建筑，2012(5):85-87.