既有车站下超近接区间隧道支护技术.pdf

第32 卷第3期2023年9月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32No.3Sept.2023文章编号：10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 3-0 0 6 6-0 6D0I:10.13340/j.cae.2023.03.011既有车站下超近接区间隧道支护技术赵佩坤，谢宏强，王港（山东建筑大学土木工程学院，济南2 50 10 1）摘要：为减小既有车站下超近接区间隧道施工时引起的沉降，利用MIDASGTS数值模拟软件，对既有车站下超近接区间隧道开挖支护技术展开研究，对比4种工况下的地表沉降、既有车站沉降和既有车站受力状况。结果表明：将超前管棚支护与超前注浆加固结合时，地表沉降与既有车站沉降分别控制在3.0 和6.4mm,既有结构最大拉应力仅为1.35MPa，实测数据与模拟结果吻合，可为同类型工程提供参考。关键词：超近接区间隧道；超前注浆加固；超前管棚支护；数值模拟；现场实测；沉降中图分类号：U455.49;TB115.1Support technology of ultra-close interval tunnelZHAO Peikun,XIE Hongqiang,WANG Gang(School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)Abstract:In order to reduce the settlement caused by the construction of the ultra-close interval tunnelunder the existing station,the excavation support technology of the ultra-close interval tunnel under theexisting station is studied by using the MIDAS GTS numerical simulation software,and the surfacesettlement,the settlement of the existing station and the stress condition of the existing station arecompared under four working conditions.The results show that when the advanced grouting reinforcementis combined with the advanced pipe shed support,the surface settlement and the settlement of the existingstation are controlled at 3.0 mm and 6.4 mm,and the maximum tensile stress of the existing structure isonly 1.35 MPa,and the measured data are consistent with the simulation results,which can provide areference for the same type of project.Key words:ultra-close interval tunnel;advance grouting reinforcement;advance pipe shed support;thenumerical simulation;field measurement;the settlemen0引 言随着我国城市化的快速发展，城市地铁通勤人数也在快速增长。新增地铁隧道与既有地铁隧道相交的情况屡见不鲜,为实现同一区域的快速换乘,新收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 5修回日期：2 0 2 2-0 9-2 6作者简介：赵佩坤（1999），男，山东德州人，硕士研究生，研究方向为隧道与地下工程建设，（E-mail)http:/文献标志码：Bunder existing station建地铁隧道往往以正交方式跨过或下穿既有车站进行施工。在隧道施工过程中，受地面交通繁忙、地下管线众多及地上地下建（构）筑物等周边复杂环境的限制,暗挖法得到广泛应用1-2 。在暗挖隧道的施工cae ;smucae M7广渠门外站第3期过程中,难免遇到暗挖隧道下穿既有车站的情况，为保障工程的穿越安全以及既有车站的运营安全，必须采取相应的加固措施。国内众多专家学者关于暗挖隧道下穿对既有结构的影响进行了一系列的研究,并提出一系列的加固方法。周伟等3 提出在施工前对下穿区域附近的既有建（构)筑物进行详细调查后,用注浆方法对既有建（构)筑物进行加固，减小因暗挖下穿施工所受到的影响。高利宏4 依托某新建盾构隧道近接下穿既有盾构隧道工程，对施工全过程的实测数据进行整理，对周边土体的扰动情况进行分析,并进一步得出控制开挖断面尺寸的施工方法。张振波等5 依托北京地铁1号线苹果园站工程，采用数值模拟方法进行分析，并结合实际工况，提出深孔注浆、丝杠支顶与抬升注浆的施工方式。朱健6 分析上海某一暗挖隧道工程，提出注浆加固既有结构的施工方法，可以减小施工过程中的沉降。李建业7 以北京地铁12 号线下穿清华园盾构隧道工程为背景，采用理论分析、数值计算及现场实测等方法，对既有结构变形预测以及既有结构内力响应等问题进行深人研究，提出超前注浆加固的保护措施。程盼盼等8 依托上海轨道交通14号线桂桥路站进行分析，通过数值模拟与现场分析，提出管棚支护既有结构的施工方法。雷升祥等9 和王锋等10 为解决暗挖隧道下穿既有结构的安全控制问题，提出将土体注浆加固与复合衬砌相结合的施工方法。陶连金等 依托北京地铁8 号线，利用MIDASCTS有限元分析软件对穿越施工过程进行三维弹塑性数值模拟,提出将管棚支护与注浆加固土体相结合的超前处理措施。上述研究探明暗挖隧道下穿既有结构的影响规律,并提出一定的沉降控制措施，但对暗挖隧道密贴下穿既有结构的研究案例较少，而且上述研究提出注浆加固、管棚支护等方法减小既有结构的沉降，但将多种方法结合应用的案例较少。本文依托北京地铁17 号线广渠门外站工程，提出将超前管棚支护与超前注浆加固相结合的施工方法，通过数值模拟、现场实测等方法进行验证，为同类型工程提供参考。1工程概况1.1王现场概况北京地铁17 号线广渠门外站暗挖隧道长59.114m，采用CRD法进行施工，隧道为复合式衬砌结构，总高7.58 6 m。暗挖隧道近距离下穿北京地铁7 号线广渠门外站，车站主体宽2 0.9 m，总高cae ;smucae 赵佩坤，等：既有车站下超近接区间隧道支护技术M17广渠门外站(a)工程平面示意M7广渠门外站1号安全口既有M7广渠门外站新建MI7渠门外站(b)工程位置示意图1工程平面及位置1.2日暗挖施工隧道施工采用CRD法，暗挖隧道施工顺序（见图2)如下：左上导洞开挖，施加初期支护与中隔墙；右上导洞开挖，施加初期支护与中隔墙；左下导洞开挖,施加初期支护与中隔墙；右下导洞开挖，施加初期支护与中隔墙；初期支护闭合并达到一定强度后进行二次衬砌,并拆除中隔墙。初期支护L6ml6mk10m左上导洞左下导洞一开挖方向口右下导洞右上导洞二次衬砌图2 隧道开挖流程开挖过程中,每次开挖的长度为0.5m;左右两侧隧道开挖的纵向间距为10 m;同一开挖断面中，上下两部分的开挖间距为6 m,左右两侧的开挖间距为10 m。开挖完成后，利用C25喷射混凝土及I22b型钢拱架进行初期支护，混凝土喷射厚度为500mm。初期支护仰拱封闭6 m后，利用C35钢筋混凝土进行二次衬砌施工,喷射厚度为350 mm。初期支护仰拱封闭6 m后拆除钢拱架，钢拱架拆除后浇筑二次衬砌。6714.6m，为双层双跨结构，车站覆土厚度3.5 3.9m。隧道拱顶距车站底板1.5m,既有车站与暗挖隧道距离较小。北京地铁7 号线广渠门外站处于正常运营状态，施工中处理不当会使既有结构沉降过大，影响地铁正常运营。工程平面及位置见图1。M7广渠门外站2 号风道http:/M17区间隧道区间盾构段暗挖隧道68计算机辅助工程2023年2建立数值模型目前，超前注浆加固和超前管棚支护是暗挖隧道下穿既有结构施工中主要的支护方法。为选择合理的支护措施，以CRD法为基础，建立4个三维模型，分别模拟无超前加固措施、仅有超前注浆加固、仅有超前管棚、2 种超前支护方法相结合等4种施工工况。MIDASGTX是一款针对隧道及其他岩土问题而开发的有限元分析软件，操作简易、可视化程度高。在施工过程中，通过钝化与激活可以模拟实际施工中的土体开挖与衬砌支护；通过改变加固区土体的属性，可以模拟注浆加固过程。既有车站总宽2 0.0 m，分上下2 层，总高计算模型尺寸为110 m50m50m，模型上部为自由边界,其余设置约束。对开挖区域、管棚、加固土体进行精细化建模，通过改变加固区土体的本构关系模拟加固区的注浆加固效果,围岩本构关系为摩尔-库仑模型,其余均为线弹性模型。既有车站、围岩、初期支护、二次衬砌、注浆加固区为实体单元，中隔墙为板单元，管棚钢管为植人式桁架单元。各材料主要力学参数见表1，计算模型见图3。表1各材料主要力学参数容重弹性模量泊松内摩擦黏聚力材料或部件y/(kN/m)E/MPa既有车站25初期支护25二次衬砌25钢拱架78.5(中隔墙)杂填土粉质黏土细砂卵石层粉土黏土层管棚加固区土体3计算结果分析3.1地表沉降分析首先提取4种工况下地表及既有车站中线沉降图，地表沉降云图见图4，地表最终沉降折线图见图5。http:/既有结构加固土体(a)模型整体示意既有结构加固区管棚(b）既有车站与新建隧道示意超前管棚初期支护中隔墙开挖土体二次衬砌(c）超前管棚与新建隧道示意图3计算模型比角（）/kPa315000.20280000.20325000.20930000.20184.319.513.519.330216019.513.5203078.593 0002025D04.574SE+00+11.28544E+0001047.86685+001046.16258E-000244.458.78E-00032042.76586E-0060+1.05364E-00052.1%16.0%-8.15052E+0010-2.35152E+000210-4.032.85E-+0023027.45.30E-0004-5.76245E+0000.407173.56E+000(a)无加固措施+9.25965E+000.0%1.6%+7.84745E+00015.0346E-002+6.45789E+0004.0%9.4%+2.26325E+000+8.63984E+00157.4%6.68366E+00111.6%3.3%0.9%-3.30687E+000-4.72556E+0000.2%-6.10146E+0000.30100.35180.30300.30400.35180.30250.200.300300530454050-7.52243E+000(b)仅超前注浆加固0.7+7.052.53E+000+6.12089E+0001.0%+3.94175E+0002.0%+1.76533E+0005:21325E-0051.0%1.5%-1.50403E+0004.8%-2.57936E+0002.9%0.4%-3.68593E+000-4.75913E+0005.86749E+000(c）仅超前管棚支护+540713E+001.6%+4.53163E+0001.9%+3.65613E+0001.0513E-0022-1-54123+001+1.02962E+00072137SE-0057.496.5%-1.59688E+00030-3.347SE+002.47238E+00000-42233E+000.2%-5.09888E+000(d)2种超前支护措施相结合图4地表沉降云图，mmcae ;smucae 第3期10-2-5-67-60-40-20地表沉降/m图5地表最终沉降折线由图5可知，开挖区域处沉降较大，远离开挖区域处沉降较小，符合地表下沉规律。未采取加固措施时地表沉降值达到6.8 0 mm，沉降值较大，地表沉降斜率为1.35%；采取超前注浆加固或超前管棚方法后，地表最大沉降值分别为5.6 0 和4.2 5mm，沉降得到一定控制；将2 种加固方法结合后，沉降值控制在3mm内，地表沉降斜率仅为0.6 4%。地表随施工过程的沉降折线见图6。开挖距离/m10203040-1-2wu/2-3-4-5-6+2种超前支护措施相结合-7L仅超前管棚支护一仅超前注浆加固+无加固措施图6 地表随施工过程的沉降折线由图6 可知，地表沉降过程可以分为以下几个阶段：开挖前，土体受到扰动,地表产生一定的超前沉降；初期支护封闭后，地表沉降变缓，对比不同工况下的沉降曲线可知，施加管棚支护能有效抑制施工过程中的地表沉降；施加二衬时，初衬封闭成环，地表沉降进一步变缓。对比不同工况下沉降曲线可知：开挖至管棚区域时，地表沉降趋势变缓，未施加管棚支护时，沉趋势未变缓，可见施加管棚支护可有效减小地表沉降。将超前管棚支护与超前注浆加固相结合，可有效降低施工过程中的地表沉降，减小施工对地表的影响,提高施工的安全性。3.2既有结构沉降及受力分析提取4种工况下既有结构中线沉降折线，见图7。由图7 可知：未采取加固措施时，既有结构沉降11.0mm;仅有注浆加固时,既有结构沉降8.8 mm;cae ;smucae 赵佩坤，等：既有车站下超近接区间隧道支护技术+无加固措施一仅超前注浆加固+仅超前管棚支护+2种超前支护措施相结合02069施加管棚支护时，既有结构沉降最大值7.2 mm;2种支护措施结合时，既有结构沉降最大值6.4mm。分析可知,超前管棚支护与超前注浆加固相结合，可有效减小施工过程中既有结构的沉降。+无加圈措施一仅超前涯浆加固仅超前管棚支护2种超前支护措施相结合0-240605060-4-6-8-10-60-40-20到中点的距离/m图7既有结构最终沉降折线提取4种工况下既有结构的主应力，见图8。%+2.05751E0032.7%0+6.31744E00441.94023E00425.7%9.5%-7.56507E-004-1.31979E0034:0%1.0%-1.88267E-0030.5%2.44556E0030.1%3.00844E0033.57133E-003-4.13421E-003-4.69709E-003(a)无加固措施1.00+1.93742E-003+1.38919E00314.2%+8.40951E-004+2.92716E-00420-25519-00444.8%8.6%8.03754E-0043.7%-1.35199E00310-2.45-46E03-1.90022E00300-2.96.68E-0038-3:3493E-00301-4.03 16E-0034.84140E003(b)仅超前注浆加固0.80+1.545.5E-00313.3%-2.04415E0049.0%3.9%1.0%-1.09512E00361.53918E0030.4%_-1.98325E-0030.1%-2.42732E003010-3315.45E-003-2.87139E-003-3.80591E003(c)仅超前管棚支护0.8g+1.35021E0031.09913-00313.3%44.4%+2.06260E-004+5.85300E00424.3%-1.77841E-0043.52754E-005.66406E-0043.9%1.0%-1.339 09E003-1.725.43E00385-2.49819E-0030.59%-2.11768E-00301-2.9841E-0033.31145E003(d)2种超前支护措施相结合图8 4种工况下既有结构主应力，MPa既有结构由C40浇筑，抗拉强度设计值为1.7 1MPa,抗压强度设计值为19.1MPa。可知，无加固措施时最大拉应力为2.0 3MPa。仅有超前注浆加固时最大拉应力为1.8 5MPa，大于强度设计值，既有0http:/20406070车站会发生破坏。仅有超前管棚支护时，既有结构最大压应力为4.7 1MPa，仅为设计值的2 4%；最大拉应力为1.54MPa，占强度设计值的9 0.1%。2 种支护措施结合后，最大拉应力仅为1.35MPa，占强度设计值的7 8%。可见，将超前管棚支护与超前注浆加固相结合，可以有效保证既有结构的安全。3.3石确定超前支护方法计算结果表明，超前管棚支护与超前注浆加固相结合，可有效降低地表及既有车站的沉降，减小既有车站的受力。基于计算结果，提出将超前管棚支护与超前注浆加固相结合的超前支护措施。暗挖施工前，对隧道周边土体进行小导管注浆加固,加固范围为开挖轮廓外4m圆形区域，见图9。小导管直径32 mm,环距0.3m。在加固土体内部，采用水平螺旋定向钻进施工工艺进行支护管棚的施工。支护管棚采用外径10 8 mm、壁厚为10 mm的钢管；管棚的长度为30 m，两端各伸出既有结构边缘5m管棚套管之间间距为350 mm，分布于隧道断面顶部12 0 范围内；管棚距隧道拱顶50 0 mm。4.00Q.8.400（a）区间下穿既有线段加固体系示意，mm管棚：直径10 8 mm，厚度10 mm的套管间距350 mm初衬(30 0 mm)二衬(50 0 mm)(b）超前管棚支护剖面示意图9超前管棚支护示意4现场监测4.1监测方法为保证暗挖期间不影响既有7 号线的正常运行，需要对既有车站进行沉降监测，测点布置于既有车站底板、地表中线及隧道拱顶等处。地面钻孔8 0cm,到达原状土后灌细砂,再安置8 0 cm长的20http:/计算机辅助工程钢筋。既有车站底板设置2 排监测点，监测点间距910m,测点布置见图10。M17广渠门外站M7广暗挖隧道集门外站0：地表监测点：既有结构底板监测点图10测点布置4.2监测结果分析截取整个施工区间的监测数据，可得地表、既有结构底部的监测结果，见图11和12。0.50-0.5-1.0M17广渠门外站-1.5-2.0-2.5-3.0M17区间隧道-3.5-60-40-20020注浆加固区域到中点的距离/m8.400.400g图11地表沉降结果对比1一2-3-4-56-760-40-200204060到中点的距离/m图12既有结构底板沉降结果对比由图11和12 可知，地表与既有结构沉降符合隧道区域沉降大、远离隧道处沉降较小的规律，计算结果与现场实测接近，验证数值模拟的准确性。现场实测表明，暗挖施工过程中既有结构沉降最大为6.82mm，地表沉降最大值为3.2 0 mm，可见超前管棚支护与超前注浆加固结合的方法可有效降低地表与既有结构的沉降。以上实测结果均与数值模拟结果相近，说明数值模拟合理，隧道暗挖密贴下穿既有结构时采取的超前管棚支护与超前注浆加固相结合的措施，可有cae ;smucae 2023年暗挖隧道模拟沉降值监测沉降值4060模拟沉降值监测沉降值第3期效抑制地表与既有车站的沉降，提高施工的安全性。5 结 论基于北京地铁广渠门外站扩建工程，通过数值模拟、现场实测等方法，研究暗挖通道密贴下穿既有车站的施工方法，得到以下结论：（1)采用超前管棚支护与超前注浆加固相结合时,地表沉降与既有车站沉降分别控制在3.0 和参考文献：【1】周丁恒，田雪娟，李长安，等。暗挖地铁隧道下穿高速铁路隧道保护措施研究J重庆交通大学学报（自然科学版），2 0 2 1，40(9)：86-91.D0I:10.3969/j.issn.1674-0696.2021.09.13.2 杨万精，王腾腾，来弘鹏，等双线盾构近距下穿既有地铁地表位移规律研究J.铁道工程学报，2 0 2 1，38（7)：6 6-7 3.3周伟，牛斌，曾德光，等浅埋暗挖法隧道下穿管线施工控制标准及控制措施研究J城市轨道交通研究，2 0 2 1，2 4（9）：2 0-2 4.D0I:10.16037/j.1007-869x.2021.09.005.4高利宏.双线盾构隧道近接下穿既有隧道结构沉降变形与施工节点控制分析J.现代隧道技术，2 0 2 1，58（4）：194-2 0 2.D0I：10.13807/ki.mtt.2021.04.024.5张振波，刘志春，郑凯，等PBA新建车站密贴下穿既有车站导洞施工工序优化研究J.建筑结构，2 0 2 0，50（增刊2）：8 8 2-8 8 7.6朱健，复杂环境下大断面矩形顶管地层损失控制措施研究J现代隧道技术，2 0 2 0，57（增刊1）：10 15-10 2 1.D0I：10.138 0 7/j.c n k i.mtt.2020.S1.136.7李建业，新建隧道下穿既有大直径盾构隧道力学响应分析D北京：北京交通大学，2 0 2 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