摘要：以某地铁7号线建设三路站—耕文路站区间盾构下穿2号线既有建设三路站为背景，采用数值模拟的方法，研究分析新建地铁车站基坑开挖和新建区间盾构下穿既有车站结构过程中，既有车站结构和盾构隧道的变形趋势及最大沉降区域的分布概况；结合相关工程经验，提出盾构隧道下穿既有车站控制措施。
关键词：地铁；隧道；下穿车站；影响分析；控制措施
1工程概况
某地铁7号线建设三路站—耕文路站区间出7号线建设三路站后，下穿既有2号线建设三路站。7号线建设三路站主体结构为地下三层双柱三跨矩形框架结构，采用明挖顺作法施工，基坑标准段深25.6m，盾构井段深27.4m，围护结构采用1m厚地下连续墙，墙长约49m（标准段）/52m（扩大端）。下穿节点位置关系如图1所示。2号线区间右线围护结构采用玻璃纤维筋，预留了隧道下穿条件。左线未预留下穿条件，格构柱型钢插入桩内3m，在隧道开挖范围之外。
下穿地段地层主要为淤泥质黏土夹粉土，地层较差，含有机质、腐殖质及云母碎屑，偶见贝壳碎屑。夹粉土、粉砂薄层，具水平层理，呈不均匀分布，局部粉砂富集，呈互层状。无摇振反应，切面较光滑，干强度中等，韧性较低。本段隧道拱底以下15m存在承压水，承压水头约40m。
图1
2施工方案及控制标准
对于侵入隧道的立柱桩，型钢（格构柱）在盾构推进范围之外，目前盾构设备可直接切削通过。因此，右线（地连墙预留玻璃纤维筋）施工采取盾构推进通过、冷冻法加固的方案。对于左线（地连墙未预留玻璃纤维筋）施工，考虑采用地面设置清障井清障后盾构通过方案或者矿山法清除方案。经方案比选，最后采用地面设置清障井清障后盾构通过方案。建设三路站—耕文路站区间在下穿既有2号线车站过程中，管片顶距离既有车站底板约4.26m，接近度为Ⅰ级，环境风险等级为Ⅰ级。根据GB50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》及CJJ/T202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，并结合某市地质情况与某市地铁工程建设经验，制定控制标准如表1所示。
3施工对既有车站影响分析
3.1计算模型建立
区间下穿既有车站数值分析模型按照实际尺寸建模，分别建立双线盾构隧道及车站结构模型。有限单元法地层结构材料的本构关系及单元选取：各岩土层均采用弹塑性模型，三维实体单元，屈服准则采用修正Mohr-Coulomb准则；车站结构及盾构隧道管片采用弹性模型。模型尺寸：120m（沿地铁7号线方向）×180m（沿地铁2号线方向）×70m（高）。水平与竖向边界均采用位移约束边界。模型网格划分采用混合网格（图2）。
图2三维模型图
3.2计算基本假定
由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能并严格按照实际施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化，在本次数值模拟中采用了以下假设。
（1）围岩材料为均质、各向同性的连续介质。
（2）隧道的受力和变形按平面变形问题进行计算，计算结果一般偏安全。
（3）在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响。
（4）管片按均质圆环模拟，考虑管片接缝的刚度折减系数0.8。
（5）边界条件，四周法向约束，顶面为自由面，底面为垂向约束。
（6）计算中忽略构造应力，将初始应力场假定为自重应力场，同时将土体视为弹塑性连续体，施工中产生的变形连续。
3.3既有车站变形分析
施工期间基坑施工对既有车站结构产生的附加应力较小，既有结构满足受力要求，对此暂不进行详细叙述。本文主要针对施工期间7号线车站及清障竖井施工完成（工况1）和7号线区间掘进完成（工况2）等工况引起既有车站的变形进行分析对比。
3.3.1工况1对既有车站变形分析
7号线车站施工期间，既有车站在靠近基坑一侧结构产生沉降，最大沉降值约1.9mm；在背离基坑一侧及跨中位置结构产生沉降，最大沉降值约0.5mm；既有车站整体向7号线基坑一侧移动，最大水平位移约0.6mm（图3、图4），满足表1既有车站结构变形控制标准要求。
3.3.2工况2对既有车站变形分析
盾构掘进完成后，既有车站在靠近7号线车站基坑一侧及跨中位置结构产生沉降，最大沉降值约2mm；在背离基坑一侧产生沉降，最大沉降值约3mm；既有车站整体向基坑一侧移动，最大水平位移约3.2mm（图5、图6），满足表1既有车站结构变形控制标准要求。
4控制及保护措施
考虑到施工过程中的风险因素，为确保既有地铁设施的受力和变形得以控制以及地铁的安全运行，建议控制措施如下。
4.1设计方面
（1））盾构推进过程中既有车站变形较小，但对既有站底板下方的土体产生扰动，因此，在施工期间对既有车站下方的土体采用冻结法进行加固处理。加固范围：加固壳厚3m（盾构外径起算），纵向加固长度（线路方向）共21.5m，其中全断面冻结加固长度6m，外围壳体冻结加固长度15.5m。同时，对既有车站进行自动化监测，做到信息化施工，严格控制既有站结构竖向及水平位移。
（2）下穿段隧道节点增设注浆孔，根据监测数据，在盾构穿越后进行多次少量的持续注浆，以减少穿越后土体沉降。
（3）提高节点区间管片螺栓等级，管片钢筋相应提高和加强，以确保7号线注浆期间自身变形可控。
（4）明确节点处盾构隧道左右线推进前后间距、速度和顺序，并加强同步注浆及二次注浆管理。
4.2施工方面
（1）严格按照本项目设计规定的施工顺序（车站/清障井→区间隧道），避免不利因素的相互影响。
（2）按照CJJ/T202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》编制专项施工方案，并报批。
（3）车站开挖前进行试降水，确保地连墙接缝处止水效果，施工中发现渗漏水应及时采取有效措施。
（4）车站基坑和清障竖井基坑施工严格按照设计要求，分层分段开挖，充分利用时空效应，避免超挖现象。开挖到底后立即组织人力进行垫层和底板施工，减少基坑暴露时间。
（5）盾构隧道下穿前设置试验段，试验段与下穿节点在同地质条件、同工况和同施工班组条件下实施，并根据试验优化施工参数。下穿过程中遵循“盾构低速掘进、刀盘匀速转动、合理控制土压、严控盾尾密封、及时保量注浆”的要求；合理控制施工速度、间距、顶推力和地层损失率等施工参数。
结束语
通过理论分析并结合数值分析可以看出，7号线车站、工作井开挖及盾构区间掘进期间，2号线车站位移量和地表土体沉降量均在允许范围内。盾构施工穿越建筑物时，首先要对既有建筑物调查，了解边界条件后分析可能产生风险的原因，有针对性地制订相应的施工措施；做好施工过程中的监测工作，根据监测数据调整盾构参数；针对下穿风险制订相应的应急预案，保证在出现意外情况时仍然可以按预案进行处理。
参考文献：
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论文作者:张金涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/19
标签：盾构论文; 车站论文; 基坑论文; 隧道论文; 结构论文; 管片论文; 地铁论文; 《基层建设》2019年第6期论文;