臨近地鐵車站的盾構(gòu)隧道施工的穩(wěn)定性研究

張文一，劉力

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082）

1 引言

地鐵因其快速、便捷、方便、舒適、占地少、載客量大以及運(yùn)營(yíng)安全等特點(diǎn)，在大城市得到迅速發(fā)展。隨著地鐵線路的迅速發(fā)展，地鐵線路和既有構(gòu)建筑物必然會(huì)交叉施工，尤其是已有地鐵車站結(jié)構(gòu)。地鐵隧道的施工必然對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，甚至危害已有地鐵車站的結(jié)構(gòu)安全。

因此，越來越多的科研工作者采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，研究了隧道施工對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響問題。胡群芳等[1]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究了盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道的影響，總結(jié)了隧道穿越過程中既有隧道的變形規(guī)律和施工技術(shù)措施。邵華等[2]建立三維數(shù)值模型模擬臨近既有隧道的盾構(gòu)隧道施工過程，分析了盾構(gòu)隧道施工過程中已運(yùn)營(yíng)隧道變形擾動(dòng)，并對(duì)相關(guān)敏感參數(shù)進(jìn)行分析。房居旺[3]利用有限元軟件建立數(shù)值模型，研究了隧道施工過程中地鐵車站的變形規(guī)律，深入分析了變形控制措施。陳彬科等[4]基于數(shù)值模擬手段，對(duì)臨近地鐵車站的地鐵隧道施工方案進(jìn)行研究，分析了不同施工方案下既有車站變形的影響。吳浩[5]利用三維有限元軟件，評(píng)估了盾構(gòu)隧道下穿既有車站過程中既有地鐵車站的安全性。房明等[6]利用三維數(shù)值模擬，分析了隧道下穿既有隧道的施工過程，分析了既有隧道變形過程，評(píng)估了新建隧道和既有隧道的安全性。

基于某盾構(gòu)隧道臨近既有地鐵車站的施工過程，進(jìn)行數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了不同施工參數(shù)對(duì)車站變形的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了盾構(gòu)施工過程中車站結(jié)構(gòu)的變形過程。

2 工程概況

某雙線地鐵隧道下穿地鐵車站，該區(qū)間雙線隧道間處于平行位置，隧道穿越地鐵車站的區(qū)間范圍內(nèi)土層厚約20.5 m。隧道下穿地鐵車站段近接車站的出入口，同時(shí)經(jīng)過風(fēng)亭。隧道中心線與車站出入口最近距離約為15.9 m。盾構(gòu)隧道和既有車站關(guān)系位置如圖1 所示。該下穿車站的隧道區(qū)間多處于粉質(zhì)黏土層，有利于盾構(gòu)的掘進(jìn)。表1 列出了主要土層物理力學(xué)參數(shù)。

圖1 隧道-車站模型圖

表1 土層參數(shù)

3 模型建立

3.1 三維數(shù)值模型

圖1 給出了隧道-車站結(jié)構(gòu)整體模型圖。該雙線隧道距離為22 m，隧道拱頂距地表20 m，地鐵車站在其上方10 m 處，隧道的半徑為5 m。采用板單元模擬地鐵車站。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探資料，土體參數(shù)取值見表1，土體采用摩爾-庫倫模型。地鐵車站參數(shù)及盾構(gòu)隧道參數(shù)取值：初襯厚度為0.2 m，重度為15.5 k N/m3，彈性模量為34.5×106kPa；盾構(gòu)機(jī)護(hù)壁厚度為0.18 m，重度為26.0 kN/m3，彈性模量為2×108kPa；車站主體結(jié)構(gòu)重度為25.0 kN/m3，彈性模量為3.0×107kPa。

4 模擬結(jié)果分析

圖2 給出了車站內(nèi)人行道沉降隨盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的曲線圖。如圖2 所示，當(dāng)盾構(gòu)刀盤距車站約50 m 時(shí)，車站內(nèi)人行道開始產(chǎn)生結(jié)構(gòu)沉降，隨后緩慢增大。當(dāng)盾構(gòu)刀盤臨近車站時(shí)，車站人行道沉降迅速增大。當(dāng)注漿壓力分別為200 kPa、300 kPa和400 kPa 時(shí)，車站內(nèi)人行道最大沉降分別為-2.1 mm、-1.1 mm和-1.0 mm?？梢姡囌救诵械莱两惦S著注漿壓力的提升顯著減小，但當(dāng)注漿壓力超過300 kPa 后，變形控制效果有限?？梢?，該工程經(jīng)濟(jì)合理的注漿壓力為300 k Pa。

圖2 不同注漿壓力下車站人行道沉降

圖3 為不同掌子面壓力下隧道施工過程中地鐵車站內(nèi)人行道沉降圖。如圖3 所示，當(dāng)掌子面壓力分別為250 kPa、350 kPa和450 kPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)的人行道沉降峰值為-2.45mm、-1.15 mm和-1.10 mm。由此可知，掌子面壓力對(duì)車站人行道沉降影響顯著，且隨著壓力的增大而減小，但當(dāng)掌子面壓力超過350 kPa后，變形控制效果有限。可見，該工程經(jīng)濟(jì)合理的掌子面壓力為350 kPa。

圖3 不同掌子面壓力下車站人行道沉降

圖4 給出了地鐵車站內(nèi)人行道變形的監(jiān)測(cè)數(shù)值和數(shù)據(jù)對(duì)比?？梢钥闯?，兩者曲線吻合較好，誤差在合理范圍內(nèi)，說明了上一節(jié)中三維數(shù)值模型的合理性。

圖4 數(shù)值結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖5 給出了車站內(nèi)人行道沉降隨日期變化的曲線圖。圖5中選取了3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制了車站內(nèi)人行道沉降數(shù)據(jù)曲線。如圖5 所示，人行道內(nèi)3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形趨勢(shì)一樣：2 月16日起，人行道出現(xiàn)沉降，隨后人行道沉降逐漸變大再刀盤接近車站過程中。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤穿過地鐵車站，人行道沉降迅速變大，在人行道沉降峰值發(fā)生在21 日。隨后人行道沉降逐漸穩(wěn)定。

圖5 車站內(nèi)人行道沉降變化曲線

圖6 給出了地鐵車站前方10 m 處4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的地表沉降曲線。以左線隧道中心線為準(zhǔn)，將25 m 范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制成變形曲線。通過圖6 可以發(fā)現(xiàn)，左線隧道中心線左右側(cè)15 m 范圍內(nèi)，地表沉降顯著變大，且該變形曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律。由此可知，隧道掘進(jìn)過程對(duì)隧道周邊15 m 范圍（約3 倍隧道半徑）土體有顯著影響。

圖6 地表沉降曲線

5 結(jié)論

基于有限元軟件，建立三維數(shù)值模型模擬盾構(gòu)隧道臨近既有地鐵車站施工過程，研究了不同注漿壓力和掌子面壓力下盾構(gòu)隧道施工對(duì)車站結(jié)構(gòu)的變形影響。同時(shí)通過對(duì)車站結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，總結(jié)了地鐵車站的變形規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）地鐵車站結(jié)構(gòu)可以通過增大掌子面壓力和注漿壓力減小其變形。該工程經(jīng)濟(jì)合理的注漿壓力為300 kPa，該工程經(jīng)濟(jì)合理的掌子面壓力為350 k Pa。

2）2 月16 日起，人行道出現(xiàn)沉降，隨后人行道沉降逐漸變大再刀盤接近車站過程中。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤穿過地鐵車站，人行道沉降迅速變大，在人行道沉降峰值發(fā)生在21 日。隨后人行道沉降逐漸穩(wěn)定。