新建隧道“零距离”下穿既有地铁车站结构变形分析.pdf

新建隧道“零距离”下穿既有地铁车站结构变形分析新建隧道“零距离”下穿既有地铁车站结构变形分析新建隧道“零距离”下穿既有地铁车站结构变形分析吴昊天1，武科2，张文1，王亚君1，于雅琳2，李光勇3(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南250061;2.山东大学土建与水利学院，山东济南250061;3.山东贝特建筑科学研究院,山东济南250061)摘要：随地铁工程的迅速发展，下穿工程越发常见，如何预测和控制新建隧道下穿施工中对既有结构的影响，以保证既有机构的正常使用已成为设计者和科研人员的重要课题。结合深圳地铁7号线“零距离”下穿既有福民车站工程，通过数值模拟、监控分析等方法，研究下穿施工对车站既有结构的影响程度和范围。研究表明：下穿施工过程中，整体车站结构呈现轻微上浮的趋势，较大变形出现在隧道上方底板结构处及其两侧，与监测数据分析结果相符；车站楼板结构主应力主要以承受压应力为主，与隧道相接处承受最大主应力拉应力。通过数值模拟和监测对比分析，研究下穿施工影响规律，为类似工程提供参考和借鉴。关键词：深圳地铁；下穿施工；下穿车站；数值模拟；监测分析近年来，城市轨道交通工程发展迅速，城市地铁网络纵横交错越发完善，因而时常出现新建地铁隧道近接既有结构施工的情况，如何控制下穿施工过程中对既有结构带来的扰动，以保证其正常运营就成了地铁设计与科研人员面临的重要课题[1-5]。本文基于深圳地铁7号线“零距离”下穿既有福民车站工程，对新建隧道近接施工问题展开研究。针对这一问题，已有许多学者做了相关研究，其中主要研究方法是通过数值模拟软件进行分析研究，例如万良勇等[6]运用数值方法，研究了下穿施工采用台阶法以及CRD法等施工方式对车站结构的受力和变形的影响，同时通过对不同加固措施的模拟，从而确定了施工方案与加固措施的优选；江华等[7]以盾构隧道下穿车站工程为例，通过数值与监测结合的方法，对车站结构变形进行研究，其认为车站总体变形符合正态分布，并对沉降发育过程进行了陈述；部分研究者基于理论研究对隧道近接施工进行讨论，杨[8]在其研究中，考虑隧道下穿施工对周围地层与结构产生的扰动和附加应力，讨论了夹层土体对既有结构和下穿隧道的影响；夏坤等[9]结合南京地铁实例，研究了9种沉降变形预测模型的实用性和精确度，得出了具有实际意义的结论；此外，也有学者从风险控制等多种角度对该问题进行研究，如马丽[10]依据理论研究和监测数据，建立了隧道施工以既有车站风险识别、风险估计、风向决策等一系列风险分析方法，并以具体工程为例，进行了风险评价分析。近年来，隧道近接施工实例愈发常见，相关的理论研究与参考案例也更加完善[11-15]，但仍未形成完善体系，对于不同工程存在很大差别，难以准确预测施工中的可能变形。本文针对深圳地铁7号线“零距离”下穿既有福民地铁车站工程展开研究，其下穿隧道拱顶紧贴车站结构底板，较为特殊。1工程概况深圳地铁7号线皇岗村—福民站区间隧道呈75°下穿既有4号线富民车站，下穿区间28m，下穿隧道断面采用6.6m×7.8m方形断面；双线隧道间距8.9m。福民车站为双层结构，筑有地下连续墙，侧壁与地连墙结构上相连，地连墙、侧壁厚度分别为0.8m，0.4m。皇福区间下穿既有地铁福民站段的平面如图1所示。如图2所示，下穿段施工工序为：拆除7号线福民站端头洞口地连墙→①部注浆、开挖支护→拆除4号线福民站东端隧道地连墙→②部注浆、开挖支护→拆除4号线福民站西端隧道地连墙→③部注浆、开挖支护→分段二衬施工。下穿段地层超前加固双液浆，加固范围为隧道间及轮廓线外3m，注浆段长6m，每段开挖长度4m，预留2m止浆段。下穿段隧洞采用CRD四步暗挖法进行施工，右线全部二衬施工完成后，开始进行左线隧道的施工。CRD四步法每步间隔距离4m，开挖初支完成后再进行二衬施工。图1下穿区间位置关系图图2下穿段施工步序示意图2数值模拟拟通过FLAC3D数值软件进行三维模拟，为减小边界效应影响，模型大小取为280m×200m×60m，根据实际工程资料，各层地层厚度为：5m，5m，6m，14m，20m，文中暂不考虑地下水位影响。车站为双层结构，层高依次为4.6m、5.9m，顶板、一层底板、二层底板厚度分别为0.8m、0.4m、0.9m，层间支撑截面为1.1m×1.1m立柱，通过Beam单元进行模拟，其余土体与车站均通过实体单元模拟，模型单元数11972，节点数44333。模型见图3。2.1数值计算方法模拟中通过实体单元对车站结构、隧道结构、土体进行模拟。下穿隧道施工模拟通过生死单元进行。数值计算方法如下：(1)模型的上边界取为地表自由边界，前、后、左、右以及下边界上均施加法向约束。(2)为准确模拟下穿段施工实际状况，7号线下穿段之外隧道简化为已建成双线圆形隧道。隧道下穿段矩形隧道开挖采用分步开