周海清 周彥良

(1.中國葛洲壩集團第一工程公司，湖北 宜昌 443002;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著城市地鐵的大量修建，全國各地出現(xiàn)了很多新建地鐵隧道在既有地下結(jié)構(gòu)鄰近施工的工程［1］。按照新建隧道與既有結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，主要有鄰近正交下穿、鄰近斜交下穿及鄰近平行下穿等幾種情況［2-4］。新建地鐵隧道施作勢必會擾動其周圍的地層，對鄰近既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，主要包括變形(位移)和應(yīng)力(內(nèi)力)兩個方面，其中變形(位移)是導(dǎo)致既有地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)改變的主控因素。故在分析中應(yīng)重點分析新建地鐵隧道施工對鄰近既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沉降影響。

以某市地鐵2號線鄰近既有地鐵車站下穿工程為基礎(chǔ)，基于MIDAS/GTS有限元分析軟件建立大型三維整體式地下結(jié)構(gòu)—地基有限元分析模型進行分析計算，分析地鐵隧道鄰近施工引起既有地鐵車站的變形(位移)規(guī)律。

1 有限元分析模型的建立

1.1 工程概況

某市地鐵2號線區(qū)間隧道鄰近平行下穿既有地鐵車站，區(qū)間隧道距既有車站橫向約2.60 m，豎向約為15.60 m。其中區(qū)間隧道為直徑線，基本埋深27.95 m，外徑6.00 m，采用盾構(gòu)法施工，C50鋼筋混凝土管片拼接式襯砌，襯砌管片厚度為0.30 m;既有地鐵車站為明挖法施工，埋深4.50 m，車站橫向?qū)?9.70 m，高7.85 m，車站縱向長度約為70 m，車站站臺結(jié)構(gòu)為中央島式，C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂板厚1.00 m，邊墻厚0.70 m，底板厚0.90 m，車站柱尺寸為0.60 m×0.60 m。

1.2 計算模型及材料參數(shù)

根據(jù)新建地鐵隧道的工程概況選取有限元計算模型長寬高為80 m×60 m×60 m，新建地鐵隧道及既有車站周圍土體采用實體單元模擬，新建隧道襯砌采用板單元模擬，既有地鐵車站結(jié)構(gòu)采用實體單元模擬，其中土體采用Mohr-Coulomb材料模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

假設(shè)工程范圍內(nèi)的各層土體為各向同性介質(zhì)，不同土層之間有理想的分界面且滿足位移協(xié)調(diào)條件，新建隧道襯砌結(jié)構(gòu)和既有地鐵車站結(jié)構(gòu)與其周圍土體為理想接觸。模型邊界采用一致邊界，即在沿模型X向邊界面上施加X向的水平位移約束，在沿模型Y向邊界面上施加Y向水平位移約束，在沿模型豎向邊界面上施加Z向的豎向位移約束。各土層及結(jié)構(gòu)混凝土材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1，模型網(wǎng)格劃分如圖1，圖2所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 整體模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖2 隧道襯砌及既有車站網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 施工階段模擬

新建地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，施工階段按以下步驟模擬計算:

1)激活各土層單元和既有車站結(jié)構(gòu)單元，施加重力荷載進行初始應(yīng)力計算，計算完成后位移清零;2)開挖土體，每一循環(huán)施工進尺為2 m，每次開挖完成后即進行管片襯砌的施加(激活相應(yīng)的管片襯砌單元)，計算完成后保存當(dāng)前階段的計算結(jié)果。整個施工階段共30個開挖進尺循環(huán)，開挖總進尺為60 m，整個模型計算31步。

2 既有地鐵車站計算結(jié)果及分析

2.1 既有車站變形計算結(jié)果

1)觀測點的選取。

在既有地鐵車站前端橫向截面選擇左邊墻底(1號)、左柱底(2號)、底板中(3號)、右柱底(4號)、右邊墻底(5號)為車站橫向豎向變形觀測點;選擇左邊墻底(1號)、左邊墻中(6號)、左邊墻頂(7號)為車站橫向水平變形觀測點。沿既有車站縱向底板中部每隔6 m依次選取車站縱向豎向變形觀測點(共11個)，沿既有車站縱向左邊墻中部間隔6 m依次選取車站縱向水平變形觀測點(共11個)。

2)計算結(jié)果。

既有車站端部橫截面各觀測點(1號～5號)隨新建地鐵隧道施工進程的豎向變形曲線如圖3所示，各觀測點(1號，6號，7號)隨新建地鐵隧道施工的水平變形曲線如圖4所示;沿既有車站縱向各觀測點隨新建地鐵隧道施工進程的豎向位移變化曲線如圖5所示，水平位移變化曲線如圖6所示。各施工階段既有車站整體位移云圖如圖7～圖10所示。

圖3 既有車站橫截面各觀測點豎向變形曲線

圖4 既有車站橫截面各觀測點水平變形曲線

圖5 沿既有車站縱向各測點豎向變形曲線

圖6 沿既有車站縱向各測點水平變形曲線

2.2 既有車站變形分析

1)豎向變形分析。

由圖3可以看出，隨著新建地鐵隧道開挖距離的增加，既有地鐵車站底板橫向各點的豎向變形逐漸增大，且0 m～30 m開挖區(qū)間的增大速度比30 m～60 m開挖區(qū)間的大，說明新建地鐵開挖施工引起的車站變形的累積效應(yīng)在減小。同時，1號～5號觀測點的豎向位移變化曲線較集中，說明各施工階段下，既有車站底板的橫向不均勻變形較小。

圖7 開挖至2 m時既有車站豎向位移云圖

圖8 開挖至20 m時既有車站豎向位移云圖

圖9 開挖至40 m時既有車站豎向位移云圖

圖10 開挖至60 m時既有車站豎向位移云圖

由圖5可以看出，隨著新建地鐵隧道開挖距離的增加，沿既有地鐵車站縱向各觀測點的豎向變形逐漸增大。在相同的施工階段下，沿既有車站縱向各觀測點的豎向變形呈減小態(tài)勢，且變化范圍較大，最大差值出現(xiàn)在開挖40 m工況下，為1.054 cm。說明在新建地鐵隧道各施工階段下，既有車站縱向的豎向不均勻變形較大，在施工時需要重點監(jiān)控。

由圖7～圖10可以看出，新建隧道各施工階段下，既有車站的豎向變形集中在車站端部，車站的整體豎向變形沿縱向變化較大。

2)水平變形分析。

由圖4可以看出，隨新建地鐵隧道開挖距離的增加，既有地鐵車站橫向左側(cè)墻各點的水平變形逐漸增大，大致為線性增長。同時，1號，6號和7號觀測點的水平位移變化曲線較為集中，說明在各施工階段下，沿既有車站側(cè)墻高度方向上的水平位移差異不大，即不均勻變形較小。

由圖6可以看出，隨著新建地鐵隧道開挖距離的增加，沿既有車站縱向各觀測點的水平變形逐漸增大。在相同施工階段下，沿既有車站縱向各觀測點的水平變形呈減小態(tài)勢，但其變化范圍較小，最大差值出現(xiàn)在開挖40 m工況下，為0.079 cm。說明在新建地鐵隧道各施工階段下，既有車站縱向的水平變形較為均勻。

3 結(jié)語

通過對新建地鐵區(qū)間隧道鄰近下穿既有地鐵車站的施工階段數(shù)值模擬分析，可得到如下結(jié)論:

1)地鐵隧道鄰近下穿施工對既有車站的變形影響是動態(tài)的，在實際工程中需要進行動態(tài)監(jiān)測，以確保其變形在安全限值以內(nèi)。

2)既有車站在地鐵隧道鄰近下穿時主要產(chǎn)生豎向變形，沿既有車站橫向的豎向變形變化不大，但沿車站縱向的豎向變形有較大變化，即需沿隧道縱向布置監(jiān)控點，重點監(jiān)測其豎向變形。同時，地鐵隧道臨近下穿引起的既有車站的水平變形值較小，不需要重點分析。

3)既有車站沿新建地鐵隧道掘進方向的端部部位產(chǎn)生了較大的豎向位移值，是地鐵隧道施工引起既有地鐵隧道變形分析的重點部位。

［1］陳星欣，白 冰.隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2011，19(1):103-107.

［2］賈永剛，王明年，任世林.地鐵區(qū)間下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全力學(xué)分析［J］.鐵道學(xué)報，2007，29(6):89-94.

［3］李東海，劉 軍，蕭 巖.盾構(gòu)隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(S1):3186-3191.

［4］沈小輝，魏云杰，陶連金.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.