摘要：為了解決盾構(gòu)隧道穿越地鐵車站施工過程中隧道及既有車站變形的問題，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，采用PLAXIS3D有限元軟件對(duì)某大直徑盾構(gòu)隧道穿越臨近既有地鐵車站的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了大直徑盾構(gòu)隧道與臨近地鐵車站的相互影響，探索了注漿壓力、掌子面壓力下隧道及既有車站的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：1）當(dāng)注漿壓力在70%～90%上覆土層重力范圍內(nèi)時(shí)，提升注漿壓力能顯著控制隧道和既有車站變形;2）當(dāng)掌子面壓力小于1.5倍掌子面?zhèn)认蜢o止土壓力時(shí)，隧道拱頂沉降隨掌子面壓力呈線性增大，反之，隧道拱頂沉降則加速增大;3）在盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)隧道和既有車站均有較為顯著的變形，且主要影響1.5倍直徑范圍內(nèi)的區(qū)域。研究結(jié)果可為新建隧道開挖對(duì)地下既有管道和結(jié)構(gòu)物的影響研究和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地下工程;大直徑盾構(gòu)隧道;既有車站;PLAXIS3D;變形規(guī)律

中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04005

Study on interactions between large diameter shield tunnel

and adjacent subway station

WANG Tuoxin

（Infrastructure Construction Department， Xi′an Polytechnic University， Xi′an， Shaanxi710048， China）

Abstract：In order to solve the deformation problem of the tunnel and the existing subway stations when the shield tunnel passing through the subway station in construction， combining with the field monitoring results， PLAXIS3D finite element software was used to simulate the construction process of a large diameter shield tunnel passing through the adjacent existing subway station， and the interaction between the large diameter shield tunnel and the adjacent subway station was studied. The structural deformation law of tunnel and existing station under grouting pressure and face pressure was explored. The results show that： 1） when the grouting pressure is in the range of 70%～90% of the gravity of the overlying soil， the deformation of the tunnel and the existing station can be significantly controlled by increasing the grouting pressure; 2） when the tunnel face pressure is less than 1.5 times of the lateral static earth pressure， the tunnel vault settlement increases linearly with the tunnel face pressure， on the contrary， the tunnel vault settlement increases rapidly; 3） in the process of shield tunnel construction， the shield tunnel and the existing station have significant deformation， and mainly affect the area within 1.5 times of the diameter. The research results can provide reference value for the research and construction of the influence of new tunnel excavation on existing underground pipelines and structures.

Keywords：underground engineering; large diameter shield tunnel; existing station; PLAXIS3D; deformation law

新建地鐵隧道和既有構(gòu)/建筑物在特定的空間位置產(chǎn)生的立體交叉使得穿越工程越來越多，對(duì)新建隧道的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)及既有線的變形控制技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)。針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越既有構(gòu)/建筑物的研究方法主要有理論分析法、數(shù)值模擬法、室內(nèi)模型試驗(yàn)法以及現(xiàn)場測法等[1-4]。KLAR等[5]通過地基模型對(duì)新建隧道開挖對(duì)其上覆既有管道的影響進(jìn)行研究，但未充分考慮地層變形的連續(xù)性，導(dǎo)致研究結(jié)論在理論上存在一定缺陷;VORSTER等[6]基于經(jīng)典的彈性均質(zhì)半空間理論，分析了新建隧道開挖對(duì)地下既有管道和結(jié)構(gòu)物的影響;陽軍生等[7-9]創(chuàng)建了概率積分預(yù)計(jì)法，對(duì)淺埋隧道開挖支護(hù)引起的地表移動(dòng)和變形進(jìn)行預(yù)測，推動(dòng)了隨機(jī)介質(zhì)理論從理論到應(yīng)用的發(fā)展;VUM等[10]利用現(xiàn)有的有限元計(jì)算程序分析盾構(gòu)隧道開挖對(duì)既有管線的影響，提出了開挖面地層損失的計(jì)算方法;賈瑞華等[11]通過對(duì)隧道開挖進(jìn)行模擬并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了地鐵隧道開挖施工對(duì)電纜隧道的影響;MROUEH等[12]建立了三維數(shù)值模型，分析了軟土隧道開挖對(duì)地面建筑的影響。指出隧道開挖引起的應(yīng)力大小取決于鄰近建筑物是否存在，建筑物自重對(duì)隧道開挖引起的應(yīng)力有很大影響;王非等[13]基于適用于三維隧道分析的彈塑性土體本構(gòu)模型，利用數(shù)值分析方法研究注漿壓力和掌子面推力變化對(duì)盾構(gòu)隧道施工沉降的影響規(guī)律，提出了考慮施工因素對(duì)隧道沉降變形影響的計(jì)算方法;劉鎮(zhèn)等[14]、房明等[15]通過數(shù)值模擬的計(jì)算方法研究了圍巖地質(zhì)條件、埋深、間距以及頂推力等因素對(duì)地層及既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律;劉招偉等[16]通過對(duì)廣州地鐵二號(hào)線某區(qū)間隧道施工過程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出了盾構(gòu)法施工引起的地表沉降規(guī)律。目前針對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵車站的相關(guān)研究較少。筆者結(jié)合某大直徑盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵車站的工程背景，建立三維數(shù)值模型進(jìn)行模擬，研究了注漿壓力和掌子面壓力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及既有車站的影響。同時(shí)通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的分析，總結(jié)盾構(gòu)隧道施工過程中隧道及既有車站的變形規(guī)律。第4期王拓新： 大直徑盾構(gòu)隧道與臨近地鐵車站的交互影響研究河北工業(yè)科技第38卷

1工程概況

某隧道在DK22+855-DK22+960段下穿地鐵車站，穿越段落左右線隧道平行布置，隧道與地鐵站平面位置如圖1所示。

該盾構(gòu)隧道屬于大直徑盾構(gòu)隧道，直徑達(dá)10 m（常規(guī)盾構(gòu)隧道直徑為6～8 m）。該段隧道拱頂距地表26.5 m，隧道位于車站單雙層結(jié)構(gòu)分界位置正下方，同時(shí)下穿2號(hào)風(fēng)亭、1號(hào)出入口，隧道與地鐵車站豎向關(guān)系圖如圖2所示。

該盾構(gòu)隧道下穿地鐵車站段，隧道洞身所處地層主要為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂性土。各土層巖性特征如表1所示。隧道大部分位于粉質(zhì)層和細(xì)沙層中，且主要在粉質(zhì)層中，該地層非常適合盾構(gòu)掘進(jìn)。

2盾構(gòu)施工參數(shù)影響分析

2.1有限元模型的建立

隧道-車站結(jié)構(gòu)整體模型如圖3所示。模型整體尺寸為180 m×150 m×50 m。隧道直徑為10 m，總長為150 m，軸線間距為23 m，隧道拱頂距地表26.5 m，地鐵車站在其上方10 m處。采用10節(jié)點(diǎn)六面體單元離散土體，板單元模擬地鐵車站、1號(hào)車站出口、2號(hào)風(fēng)亭主體結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)外殼采用板單元模擬。土體采用M-C本構(gòu)模型。

2.2參數(shù)設(shè)定

土體參數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)監(jiān)測報(bào)告確定，取值如表1所示。車站結(jié)構(gòu)及隧道襯砌參數(shù)取值如表2所示。

2.3注漿壓力的影響

隧道施工完成后，距地鐵車站50 m處隧道橫斷面地表沉降曲線如圖4所示。

圖4研究了3種不同的注漿壓力工況，可以看出，不同注漿壓力下的地表沉降規(guī)律基本一致，盾構(gòu)隧道施工主要引起隧道周邊1.5倍直徑范圍內(nèi)的土體變形。當(dāng)注漿壓力為200 kPa時(shí)，地表最大沉降約為4.7 cm;當(dāng)注漿壓力增大到300 kPa時(shí)，地表最大沉降約為2.9 cm，減小了約40%;當(dāng)注漿壓力增大到400 kPa時(shí)，地表最大沉降約為2.5 cm，較注漿壓力300 kPa時(shí)減小了約15%。可以看出注漿壓力對(duì)地表土體變形有顯著影響。

隧道施工過程中刀盤距離車站結(jié)構(gòu)不同距離時(shí)軌道結(jié)構(gòu)沉降如圖5所示。

可以看出，當(dāng)注漿壓力提升到400 kPa時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)沉降顯著減小。因此，提升注漿壓力可以有效控制隧道的變形。

不同注漿壓力下的車站結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖6所示。

可以看出，由于下方隧道的存在，車站主體的最大豎向位移發(fā)生在隧道與既有車站主體凈距離最小處。注漿壓力分別為200，300和400 kPa 時(shí)，車站結(jié)構(gòu)的最大位移分別為3.7，7和2.1 mm。可見，提升注漿壓力可以有效控制地鐵車站的變形。

為了更好地描述注漿壓力對(duì)隧道變形的影響，將注漿壓力無量綱化（注漿壓力/上覆土層重力）。隧道拱頂沉降隨注漿壓力變化曲線（觀測點(diǎn)取車站結(jié)構(gòu)前50 m處的剖面）如圖7所示。

當(dāng)注漿壓力小于上覆土層重力70%時(shí)，注漿壓力的提升并不能顯著控制隧道的變形。隨著注漿壓力的進(jìn)一步增大，隧道拱頂沉降顯著減小。當(dāng)注漿壓力大于上覆土層重力90%時(shí)，進(jìn)一步提升注漿壓力對(duì)改善隧道拱頂沉降的效果不佳。因此，本工程在實(shí)際施工時(shí)的注漿壓力取為70%的上覆土層重力。

2.4掌子面壓力的影響

觀測點(diǎn)隧道拱頂位移隨著掌子面掘進(jìn)的變化曲線如圖8所示。

隨著掌子面的掘進(jìn)，隧道拱頂沉降越來越大，當(dāng)?shù)侗P距觀測點(diǎn)截面5 m時(shí)，拱頂沉降達(dá)到峰值。隨著掌子面進(jìn)一步掘進(jìn)，隧道拱頂沉降迅速減小。當(dāng)掌子面掘進(jìn)到觀測點(diǎn)時(shí)，拱頂沉降減小至零，隨后隧道拱頂出現(xiàn)隆起，并且隆起迅速增大，在掌子面前5 m處隆起值達(dá)到峰值，這是由于掌子面壓力造成前方土體隆起。

掌子面前5 m處隧道橫斷面位移如圖9所示。掌子面壓力分別為250，350和450 kPa時(shí)，土體隆起位移分別為0.83，1.21和1.89 cm?？梢?，掌子面壓力對(duì)隧道變形有顯著影響。

3種掌子面壓力下的車站結(jié)構(gòu)豎向位移云圖如圖10所示。

掌子面壓力分別為250，350和450 kPa時(shí)，車站結(jié)構(gòu)的最大位移分別為3.7，2.7和2.1 mm?？梢?，掌子面壓力對(duì)車站結(jié)構(gòu)變形有顯著影響。

將掌子面壓力無量綱化（掌子面壓力/掌子面?zhèn)认蜢o止土壓力）。隧道拱頂沉降隨掌子面壓力變化曲線（觀測點(diǎn)取車站結(jié)構(gòu)前50 m的位置）如圖11所示。

當(dāng)掌子面壓力小于1.5倍掌子面?zhèn)认蜢o止土壓力時(shí)，隧道拱頂沉降隨掌子面壓力線性增大。隨著掌子面壓力超過1.5倍掌子面?zhèn)认蜢o止土壓力，隧道拱頂沉降加速增大。因此，本工程盾構(gòu)施工時(shí)掌子面壓力控制在1.5倍側(cè)向靜止土壓力。

3基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的隧道和既有車站變形分析

該盾構(gòu)隧道下穿地鐵車站的監(jiān)測對(duì)象為下穿施工影響范圍內(nèi)的隧道、車站既有結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境，具體檢測項(xiàng)目包括車站結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)與軌道的豎向變形監(jiān)測。

3.1監(jiān)測變形控制指標(biāo)

根據(jù)該工程設(shè)計(jì)文件及安全性影響評(píng)估報(bào)告要求，既有地鐵監(jiān)測控制值如表3所示。

3.2既有地鐵現(xiàn)場監(jiān)測作業(yè)方法

車站結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)豎向位移變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)于車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)上。共布設(shè)6個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面2個(gè)車站結(jié)構(gòu)豎向位移測點(diǎn);穿越位置兩側(cè)以20 m間距布設(shè)斷面，東西兩側(cè)各布設(shè)2個(gè)斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面2個(gè)車站結(jié)構(gòu)豎向位移測點(diǎn)。A出入口及2號(hào)風(fēng)道布設(shè)結(jié)構(gòu)豎向位移變形測點(diǎn)共計(jì)32個(gè)。測點(diǎn)布置如圖12所示。

3.3數(shù)值結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果對(duì)比

監(jiān)測點(diǎn)C04-1的隧道拱頂沉降的對(duì)比如圖13所示。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果較為吻合，誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了上述數(shù)值模型的正確性。

3.4隧道和車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果分析

車站內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)沉降隨日期變化的曲線如圖14所示。

圖中選取了C04-1，C05-1，C06-1等3個(gè)測點(diǎn)，分別提取2018年2月12日—28日內(nèi)的軌道沉降數(shù)據(jù)。可以看出，3個(gè)測點(diǎn)的沉降規(guī)律一致，當(dāng)?shù)侗P距離車站結(jié)構(gòu)50 m時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生沉降，并在刀盤到達(dá)車站結(jié)構(gòu)前緩慢增大;2018年2月21日—23日，當(dāng)盾構(gòu)開挖至車站結(jié)構(gòu)正下方時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的沉降顯著增大，并在2月21日達(dá)到沉降最大值;隨著盾構(gòu)的進(jìn)一步掘進(jìn)，沉降出現(xiàn)了小幅回彈，并且軌道結(jié)構(gòu)沉降趨于穩(wěn)定。

不同日期軌道結(jié)構(gòu)測點(diǎn)C02-1—C09-1的監(jiān)測結(jié)果（即軌道結(jié)構(gòu)橫斷面沉降曲線圖）如圖15所示。

選取了2018年2月24日—27日的軌道沉降數(shù)據(jù)，在垂直盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向上，軌道結(jié)構(gòu)沉降的峰值發(fā)生在左線隧道左右邊墻處，距離隧道中心線越遠(yuǎn)，沉降越小。距離左線隧道中線15 m距離外測點(diǎn)的沉降量迅速減小。該盾構(gòu)隧道直徑為10 m，表明盾構(gòu)隧道對(duì)周邊1.5倍直徑范圍內(nèi)土體有顯著影響。

距車站50 m處不同開挖時(shí)間的垂直于隧道掘進(jìn)方向的地表沉降如圖16所示。

從左線隧道中心線左側(cè)-25 m到右側(cè)25 m，每隔5 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，將監(jiān)測結(jié)果繪成地表沉降曲線。從圖16中可以看出，距離左線隧道中心線15 m處，地表沉降開始迅速增大。地表沉降曲線也呈現(xiàn)出近似于正態(tài)分布的趨勢(shì)，與Peck公式給出的曲線較為相似。同樣可以看出，盾構(gòu)隧道施工主要的影響區(qū)域是1.5倍直徑范圍內(nèi)的土體。

車站結(jié)構(gòu)最大變形監(jiān)測結(jié)果如表4所示。可以看出，盾構(gòu)隧道的施工會(huì)引起既有地鐵車站主體結(jié)構(gòu)、出入口和風(fēng)亭較為顯著的變形，但均在地鐵安全運(yùn)營范圍之內(nèi)。

綜上所述，從數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果可以看出，盾構(gòu)隧道施工過程中，在合理的范圍內(nèi)提升注漿壓力和掌子面壓力能有效控制車站的變形在地鐵安全運(yùn)營范圍之內(nèi)，從而保證了施工的順利進(jìn)行。

4結(jié)語

本文結(jié)合某大直徑盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵車站的工程背景，采用PLAXIS3D模擬分析注漿壓力和掌子面壓力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及既有車站的影響。同時(shí)通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的分析總結(jié)了盾構(gòu)隧道施工過程中大直徑隧道及既有車站變形規(guī)律。得出以下主要結(jié)論。

1）當(dāng)注漿壓力在70%～90%上覆土層重力范圍內(nèi)，隧道和既有車站變形隨著注漿壓力的提升顯著降低。

2）掌子面壓力小于1.5倍掌子面?zhèn)认蜢o止土壓力時(shí)，隧道拱頂沉降隨掌子面壓力呈線性增大。反之，則加速增大。

3）大直徑盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵車站過程中，盾構(gòu)隧道和既有車站均有較為顯著的變形。主要的影響區(qū)域是1.5倍直徑范圍內(nèi)。

模型中對(duì)襯砌管片進(jìn)行了簡化，后續(xù)研究將細(xì)化襯砌管片及接頭的模擬，并通過力學(xué)試驗(yàn)獲取更為準(zhǔn)確的注漿漿液力學(xué)參數(shù)。

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