新建隧道近接下穿地铁区间的沉降影响分析.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202210050开放科学（资源服务）标识码（OSID）新建隧道近接下穿地铁区间的沉降影响分析代光辉1，周 学2，李清泽1，杜宁宁2（1.中国建筑一局（集团）有限公司，北京100161；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）摘要：以某电力隧道近接下穿北京地铁 1 号线区间为背景，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，对隧道穿越地铁区间引起的沉降进行分析。结果表明：地铁沉降经历“缓慢沉降快速沉降稳定沉降”三个阶段，其中快速沉降发生在隧道下穿阶段，该阶段地铁沉降最大；隧道后穿越段地铁沉降略大于先穿越段；地铁边墙及中墙处沉降略小于中线处沉降；地铁沉降和变形缝差异沉降最大值分别为 2.0、0.5 mm，均小于地铁变形控制值，满足地铁运营管理要求。关键词：地铁区间；密贴下穿；数值模拟；现场监测；沉降分析中图分类号：U455文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)04 0150 04 0 引言城市轨道交通迅速发展，新建工程与既有地铁线路发生交叉越来越频繁，保证既有线的结构和运营安全成为工程建设关注的重点。工程近接吸引众多学者进行研究。陶连金等1汇总国内主要近接下穿工程，分析了运营线沉降机理；张钦喜等2利用数值模拟分析北京地铁 19 号线某区间穿越既有2 号线时沉降规律；杨子璇等3研究北京地铁机场西延线隧道下穿既有 5 号线北新桥站，采用洞桩法施工的沉降规律，提出沉降控制方案；寇鼎涛等4分析北京地铁 19 号线四线隧道近接下穿既有 4 号线新宫站，既有结构在不同注浆加固范围及注浆强度工况下的沉降变形特征；王力功5研究徐州市轨道交通 2 号线和 6 号市政府站暗挖段施工，提出采用全断面分区域超前加固后开凿两道地连墙，随后暗挖段 CRD 开挖的综合施工技术；张振波等6介绍北京地铁 6 号线西延拓建现有北京地铁 1 号线苹果园站结构变形控制措施；梁尔斌7分析北京地铁 16 号线苏州街站近接下穿既有 10 号线工程，既有车站整体沉降和变形缝处差异性沉降。大多数近接下穿表现为新建地铁工程穿越既有车站，车站刚度较大，具有较强的抗变形能力，列车在车站处于缓慢行驶或停止状态，施工时车站也有较大的变形允许值。新建市政隧道下穿既有地铁区间的工程案例较少，且北京地区的运营管理单位提出“新建工程施工不能影响既有运营正常秩序，尤其不得限速”的原则，要求新建工程穿越既有地铁工程，引起的沉降控制值不超过 3 mm，给穿越工程带来很大的挑战。本文以北京某电力隧道密贴穿越地铁 1 号线区间工程为例，分析电力隧道开挖过程中地铁结构的沉降规律。1 工程概况 1.1 工程简介某新建电力隧道从北京地铁 1 号线区间两侧变形缝中间穿过，隧道中心与变形缝的间距均为 10 m，平面位置关系，见图 1。北变形缝新建电力隧道地铁区间10.010.0变形缝右线地铁区间左线施工方向图1隧道与地铁平面关系（单位：m）地铁区间为双孔矩形，顶板、底板、边墙、中隔墙分别厚 750、700、600、400 mm，结构外轮廓为 9.8 m5.8 m，顶板覆土 4.6 m。新建隧道下穿段采用平顶直墙断面，暗挖法施工，横断面开挖尺 收稿日期：2022 12 01作者简介：代光辉（1988），男，河南商丘人。工程师，硕士，主要从事隧道及地下工程设计研究工作。E-mail：。路基工程 150 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）寸为 3.4 m3.5 m，初衬采用 300 mm 钢格栅+C25喷射混凝土，二衬采用 400 mm 厚 C40 混凝土，顶板覆土 10.6 m，隧道初衬与地铁结构底板垫层紧贴，剖面关系，见图 2。拟建场区内土层为粉质黏土素填土、卵石层和卵石层。隧道位于地下水位以上，不受地下水影响。340035002100200地铁垫层隧道700435075058002000 400 300图2隧道与地铁剖面关系（单位：mm）1.2 施工方案该段地铁已建成运营 50 余年，结构存在裂缝较多，经检测，地铁结构混凝土等级仅为 C25。根据安全评估报告，地铁结构变形控制值，见表 1。表1地铁结构变形控制值mm位置项目预警值报警值控制值地铁区间竖向变形（上浮）+1.4+1.6+2.0竖向变形（沉降）2.12.43.0变形缝差异沉降2.0变形速率0.5 mm/d 为避免隧道施工影响地铁运营，采取注浆加固等技术措施。隧道周圈 1.5 m 进行全断面预加固；注浆浆液采用 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，水灰比11，注浆压力 0.51.0 MPa，注浆后掌子面土体无侧限抗压强度不大于 0.5 MPa，周圈土体无侧限抗压强度不小于 0.8 MPa；拱顶注浆盲区穿越时采用径向注浆进行补强，隧道纵向注浆示意，见图 3。50009800500019800洞内注浆体洞外注浆体施工方向右洞左洞150035001500图3隧道纵向注浆示意（单位：mm）下穿段隧道顶部由拱顶调整为平顶，与地铁底板密贴，初衬厚度由 250 mm 调整为 300 mm。采用上下台阶法预留核心土施工，上台阶长度 5.0 m，核心土长度 1.0 m，每开挖 0.5 m 及时施作初衬。隧道作为地铁结构的地基，须对下穿段隧道结构进行与地铁同等级人防验算。2 数值模型采用 Midas GTS NX 软件对隧道下穿施工过程中的地铁区间结构变形进行数值模拟。模型长69.8 m（沿隧道方向），宽 60.0 m（沿地铁方向），高 50.0 m。顶部采用自由边界，其余面采用法向约束。整体模型、隧道和地铁模型，见图 4。（a）整体模型（b）隧道和地铁模型图4整体模型、隧道和地铁模型 隧道、地铁结构及注浆层均采用弹性模型，土层选用修正摩尔-库仑本构模型。注浆层和土体采用实体单元，地铁结构和隧道采用板单元。地层及模型材料力学参数，见表 2。共设置 24 个施工步序：步序 1，设置初始应力场并位移清零；步序 24，开挖至注浆起始位置，进行注浆加固；步序 5，施工至地铁结构边墙位置；步序 615，穿越地铁结构；步序 1623，施工剩余隧道；步序 24，浇筑二衬结构。设 5 个监测断面，每断面 5 个测点，均布置在底板。测点布设于右洞边墙、右洞中线、中隔墙、左洞中线及左洞边墙处，见图 5。在地铁变形缝两端各设置两组测点，监测变形缝差异沉降。表2地层及模型材料力学参数名称密度/（gcm3）内摩擦角/（）黏聚力/kPa泊松比弹性模量/MPa杂填土1.705100.3112卵石2.053500.25200注浆层20.0040100.30125既有地铁结构2.500.202.8e4隧道初支2.400.202.8e4 CJ1-1CJ1-2CJ1-3CJ1-4CJ1-5CJ5-1CJ5-2CJ5-3CJ5-4CJ5-5新建隧道CJ4-5CJ3-5CJ2-5CJ4-1CJ3-1CJ2-1施工方向左线区间右线区间图5监测点平面布置代光辉，等：新建隧道近接下穿地铁区间的沉降影响分析 151 3 数值计算结果分析 3.1 地铁横断面沉降隧道下穿处地铁 5 个监测点 CJ1-3CJ5-3 沉降曲线，见图 6。地铁沉降经历“缓慢沉降快速沉降稳定沉降”三个阶段。缓慢沉降发生在隧道掌子面前方，表现为土体的压缩沉降，约占总沉降的 17%32%；快速沉降发生在隧道下穿阶段，表现为土体开挖后地铁结构挠度变形，约占总沉降 63%75%；稳定沉降发生在隧道穿越完成后，表现为下穿隧道衬砌发生弹性挠曲，约占总沉降 5%8%。各测点在缓慢沉降阶段发生沉降不同，后穿越段沉降大于先穿越段。左洞中线和边墙沉降值分别为 2.04、1.63 mm，均大于右洞（分别为 1.89、1.35 mm），说明隧道施工对地铁影响后穿越段大于先穿越段。中线处（轨道位置）沉降最大，对地铁运营安全影响最大；边墙和中墙沉降最小，说明边墙和中墙有较强抗变形能力。地铁最大变形 2.04 mm，小于地铁变形控制值 3.00 mm。沉降稳定下穿完成下穿完成下穿开始沉降/mm步序CJ1-3CJ2-3CJ3-3CJ4-3CJ5-32.02.21.81.61.41.21.00.80.60.40.2013579 11 13 15 17 19 21 23图6地铁横断面监测点沉降曲线 3.2 地铁结构纵向沉降地铁纵向监测点沉降曲线，见图 7。由地铁变形缝两侧的沉降值，计算得出变形缝差异沉降值，见表 3。地铁纵向沉降呈现出对称于穿越点的“沉降槽”，穿越处变形最大，两侧变形逐渐减小。穿越段地铁长度 20 m，沉降贯穿整段结构；由于变形缝的存在，相邻侧地铁结构变形很小。地铁变形缝的差异沉降分布规律与结构沉降一致；最大差异沉降 0.53 mm，小于地铁差异沉降控制值 2.00 mm。沉降/mmCJ1CJ2CJ3CJ4CJ52.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.2穿越点变形缝变形缝地铁区间图7地铁纵向监测点沉降曲线 表3变形缝差异沉降值mm位置本段地铁变形缝邻近段地铁变形缝差异沉降CJ1-10.320.060.26CJ2-10.450.110.34CJ3-10.400.090.31CJ4-10.530.130.40CJ5-10.490.120.37 4 现场监测结果 4.1 地铁横断面沉降现场监测点布置与图 5 一致。地铁横断面监测点CJ1-3CJ5-3 沉降曲线，见图 8。地铁结构缓慢、快速、稳定沉降阶段分别约占总沉降 20%、65%、15%。快速沉降阶段实测值和模拟值相近，其余两个阶段略有差异。除右洞边墙（CJ2-3）实测变形1.70 mm，略小于数值计算 1.89 mm 外，其余测点实测值与模拟值相近。左洞中线及边墙变形值略大于右线；中墙和边墙沉降值最小，和模拟结论一致。地铁最大沉降值 1.90 mm，位于左洞中线处，小于地铁变形控制值3.00 mm，满足地铁安全运营要求。沉降/mmCJ1-3CJ2-3CJ3-3CJ4-3CJ5-32019-07-1207-2007-2608-0208-0808-1408-2008-2608-3109-062.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.2变形稳定下穿完成开始下穿开始施工监测日期图8地铁横断面监测点沉降曲线 4.2 变形缝差异沉降地铁结构两侧变形缝差异沉降监测值，见表 4。除中墙监测点 CJ3-5 差异沉降值大于中线测点CJ2-5 以外，边墙和中墙处的沉降值最小；除左右洞边墙测点 CJ1-5 与 CJ5-5 差异沉降值相同外，左洞差异沉降大于右洞相对应位置沉降，与地铁结构沉降分布规律基本一致。实测变形缝最大差异沉降 0.5 mm，小于地铁差异沉降控制值 2.0 mm。表4变形缝差异沉降监测值mm位置（西北侧）差异沉降位置（东南侧）差异沉降CJ1-10.1CJ1-50.2CJ2-10.3CJ2-50.2CJ3-10.2CJ3-50.3CJ4-10.4CJ4-50.5CJ5-10.3CJ5-50.2 5 结语以某电力隧道密贴下穿北京地铁 1 号线区间为路基工程 152 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）背景，通过数值模拟和现场监测相结合的方法，对隧道密贴下穿地铁区间引起的沉降进行分析。（1）地铁沉降经历“缓慢沉降快速沉降沉降稳定”三个阶段，快速沉降阶段发生在隧道下穿过程中，地铁产生沉降最大，约占总沉降的65%。地铁最大沉降发生在区间中线处，即轨道所在位置，直接影响地铁运营安全。如何有效控制该阶段地铁变形成为穿越工程的关键。（2）地铁左洞结构各位置沉降稍大于右洞，即隧道施工对地铁的影响后穿越段大于先穿越段。（3）地铁边墙及中墙处沉降为1.31.6 mm，略小于中线处，说明边墙和中墙具有较好抗变形能力。（4）数值模拟和现场实测地铁最大沉降值和变形缝最大差异沉降基本相同，分别为2.0、0.5 mm，均小于地铁变形控制值，满足地铁运营管理要求。对于与本工程相似隧道的密贴下穿地铁间工程，建议采用上下台阶+全断面注浆加固的施工方法，保证地铁结构和运营安全。参考文献(References)：1 陶连金,刘春晓,许有俊,等.密贴下穿地下工程研究现状及发展趋势 J.北京工业大学学报,2016,42（10）:1482 1489.DOI:10.11936/bjutxb2015110027.TAO L J,LIU C X,XU Y J,et al.Research status and tendency ofclosely-attached intersecting underground structures J.Journal ofBeijing University of Technology,2016,42（10）:1482 1489.DOI:10.11936/bjutxb2015110027.2 张钦喜,孙杨,李松梅.平顶直墙暗挖法密贴下穿既有线关键技术 J.岩土工程技术,2018,32（6）:288 293,312.DOI:10.3969/j.issn.1007-2993.2018.06.004.ZHANG Q X,SUN Y,LI S M.Key technologies for straight wall closelycrossing underneath the existing tunnel J.Geotechnical EngineeringTechnique,2018,32（6）:288 293,312.DOI:10.3969/j.issn.1007-2993.2018.06.004.3 杨子璇,姚爱军,张东,等.隧道密贴下穿既有地铁车站沉降控制研究 J.地下空间与工程学报,2020,16（增刊 1）:442 449,464.YANG Z X,YAO A J,ZHANG D,et al.Study on settlement control oftunnel closely passing through existing metro station J.Chinese Journalof Underground Space and Engineering,2020,16（S1）:442 449,464.4 寇鼎涛,高太平,闫建龙,等.四线隧道密贴下穿既有地铁车站注浆加固圆砾石地层效果研究 J.铁道标准设计,2020,64（12）:94 100.DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.201912160001.KOU D T,GAO T P,YAN J L,et al.Research on the effect of groutingreinforcement of gravel stratum in the four-line tunnel closely under-crossing the existing metro station J.Railway Standard Design,2020,64（12）:94 100.DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.201912160001.5 王力功.新建地铁密贴下穿既有车站暗挖段施工技术研究 J.铁道建筑技术,2022（3）:129 134,170.DOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2022.03.028.WANG L G.Study on construction technology of excavated section bymined method of newly-built metro line crossing closely underneathexisting station J.Railway Construction Technology,2022（3）:129 134,170.DOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2022.03.028.6 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,2020,50（增刊 2）:882 887.ZHANG Z B,LIU Z C,ZHENG K,et al.Optimization constructionprocess of PBA new station pilot tunnels under the existing station J.Building Structure,2020,50（S2）:882 887.7 梁尔斌.隧道密贴下穿既有车站变形缝沉降控制研究 J.现代隧道技术,2022,59（2）:182 191.DOI:10.13807/ki.mtt.2022.02.022.LIANG E B.Study of the settlement control of deformation joints oftunnels passing closely under the existing station J.Modern TunnellingTechnology,2022,59（2）:182 191.DOI:10.13807/ki.mtt.2022.02.022.AnalysisofSettlementInfluenceofNewTunnelAdjacenttoUndercrossingSubwaySectionDAI Guanghui1，ZHOU Xue2，LI Qingze1，DU Ningning2（1.China Construction Fist Group Corporation Limited,Beijing 100161,China；2.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.,Ltd.,Beijing 100037,China）Abstract:Based on a electric power tunnel adjacent to crossing Beijing Subway section of Line 1,the settlementcaused by new tunnel crossing subway section is analyzed via numerical simulation and on-site monitoring.Theresults show that the subway settlement has experienced three stages of slow settlement-rapid settlement-stablesettlement.Among them,the rapid settlement occurs in the tunnel undercrossing stage,which is the largestsettlement.The settlement of the subway in the later crossing section is slightly greater than that in the firstcrossing section.The settlement at the side wall and middle wall is slightly less than that at the center line.Thesettlement and differential settlement of deformation joint are 2.0,0.5 mm respectively,which are less than thesubway deformation control value,meeting the requirements of subway operation management.Keywords:subway section；closely undercrossing；numerical simulation；on-site monitoring；analysis ofsettlement代光辉，等：新建隧道近接下穿地铁区间的沉降影响分析 153