赵浩祥
中国水利水电第十一工程局有限公司 河南省郑州市 450000
摘要：为了研究新建地铁隧道下穿对既有地铁车站的影响，基于有限元软件FLAC3D，分别研究了3种不同开挖方法（预留核心土法+CRD法、预留核心土法和全断面法）、3种不同的开挖进尺（0.5m、1.0m和1.5m）和3种不同的加固范围（不加固、加固范围为隧道开挖轮廓线外1.5m和3m）工况下，新建地铁隧道和既有地铁车站的变形和应力。以隧道位移和既有车站的应力应变为控制标准，综合考虑施工效率和施工成本等因素，最终推荐的施工方案为：开挖进尺为1.5m、加固范围为隧道开挖轮廓线外1.5m的预留核心土法和CRD法相结合的开挖方法。
关键词：隧道；施工方案；矿山法施工
1 工程概况
某城市新建2号线地铁主体为分离式双洞单拱单层结构，单洞净高和净宽分别为11.2m和12.4m，长度为56m，为复合式衬砌结构，隧道埋深为26.1m，路线纵坡为向小桩号0.3%的坡度。新建地铁隧道下穿该城市1号地铁某车站，既有地铁车站主体结构底梁底面距离新建隧道主体结构的垂直距离为8.23m。
本项目的难点和重点为隧道开挖过程中对既有地铁车站的影响，选择合理的开挖方法、开挖进尺和加固范围具有非常重要的工程意义。根据现场勘测资料可知，地质情况从上下到分为素填土、淤泥质粘性土、砾砂、卵石、中风化花岗岩和微风化花岗岩，地层和隧道支护结构的物理力学参数如表1所示。
表1 地层和隧道支护结构的物理力学参数
本文基于有限元软件FLAC3D进行仿真计算，设定隧道开挖的方向为X轴正向，隧道掘进横断面向左为Y轴正向，竖直向上为Z轴正向。有限元模型的法向约束施加在有限元模型的前后、左右和下部，地表上面为自由边界[1]。利用八节点六面体模拟二次衬砌和围岩[2]，利用壳单元模拟初期支护。新建地铁隧道与既有地铁车站之间的关系以及该工程的有限元模型如图1所示。
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2 新建隧道的开挖工法
不同的施工方法对隧道围岩的扰动程度不一样，而对围岩的扰动程度直接影响既有车站的变形和受力。现场拟定的施工方法为预留核心土法和CRD法相结合的方式，具体为下穿车站范围内的施工方法为CRD法，其他区域为预留核心法。此方法可以较好控制既有车站的受力和变形，但工法复杂，成本高，工期长。为了选定最优的开挖工法，本文选取了预留核心土法和全面断面法进行对比分析。本文采用控制变量法进行研究，辅助工法和开挖进尺均相同。
2.1 既有车站变形分析
根据有限元计算结果可知，3种不同的开挖工法对应的既有车站结构的最大沉降值和新建隧道拱顶最大沉降值如表2所示。
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由表2可知，预留核心土法+CRD法工法对应的既有车站位移和隧道拱顶位移最小，其次为预留核心土法，最大的为全断面法，且预留核心土法+CRD法引起的位移远远小于其他两种工法。预留核心土法+CRD法引起的既有车站变形出现的位移在两侧边墙处，而其他两种工法均出现在车站中部。其原因为CRD法对隧道围岩扰动较小，且在施工中可以做到初期支护及时封闭成环，有效控制既有地铁车站和新建隧道之间的围岩变形，从而减小了既有车站的变形。
2.2 既有车站应力分析
根据有限元计算结果可知，3种施工方法对应的既有地铁车站的主拉、压应力分布规律基本一致，最大压应力均出现在地铁车站的柱子上，最大拉应力出现在地铁车站断面变化处边墙的转角下方。表3为不同的施工方法对应的最大应力值。
表3 不同施工方法对应的最大应力值
由表3可知，预留核心土法+CRD法对应的最大拉压应力值最小，其次为预留核心土法，全断面法对应的最大，但三者相差较小。但全断面法引起的车站结构最大主拉应力值大于2.01MPa(C30混凝土轴心抗拉强度标准值），因此该施工方法不能保证现场施工安全。预留核心土法引起的最大拉应力值接近2.01MPa，因此最优的施工方法为预留核心土法+CRD法。
3 新建隧道的开挖进尺
在隧道开挖过程中，开挖的进尺决定施工效率、无支护措施的临空面和工程进度等因素。而无支护措施临空面在一定程度上，决定了既有地铁车站的变形以及车站与隧道之间围岩的扰动程度。较小的进尺步长可以减小车站变形和围岩扰动，但会降低施工效率，影响施工进度，增加施工成本。因此选择安全合理的开挖进尺步长较为关键，本文选取开挖进尺长度为0.5m、1.0m和1.5m，依托的开挖方法为预留核心土法+CRD法。
3.1 既有车站变形分析
根据有限元计算结果可知，不同开挖进尺对应的车站结构和隧道拱顶的最大沉降值如表4所示。
表4 不同开挖进尺对应的位移值
由表4可知，开挖进尺越大，车站和隧道的变形越大。当开挖进尺为0.5m和1.0m时，车站最大位移出现的位置为两侧边墙处。开挖进尺为1.5m时，最大位移出现的位置为车站中部。不同进尺深度对应的结构最大位移沉降值相差较大，但开挖进尺为1.5m对应的隧道拱顶最大沉降值为8.694mm(<10mm），可以保证既有车站的允许最大位移要求。
3.2 既有车站应力分析
根据有限元计算结果可知，不同开挖进尺对应的车站结构拉、压应力变化规律基本相同，最大拉应力出现在车站内的柱子上，最大压应力出现在地铁车站断面变化处边墙的转角下方，不同开挖进尺对应的最大拉压应力如表5所示。
表5 不同开挖进尺对应的最大应力值
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由表5可知，开挖进尺越大，车站结构的拉、压应力均越大。横向对比3种工况，其差距较小，且均小于2.01MPa，因此从施工效率和工期方面考虑，选择开挖进尺为1.5m的开挖方法。
结论
3种施工方法引起的既有车站的变形均在安全范围内，但开挖引起的最大拉应力需小于C30混凝土轴心抗拉强度标准值，推荐的施工方法为预留核心土法+CRD法。不同开挖进尺引起的变形均在安全范围内，且不同开挖进尺对车站结构应力影响较小，考虑到现场工期和成本，推荐开挖进尺为1.5m。新建隧道不加固工况下引起的变形和车站结构位移，均无法满足安全要求。而加固范围为轮廓线外1.5m和3m引起的车站结构应力相差较小，推荐的加固范围为轮廓线外1.5m。
参考文献
[1]李洋,许成顺,杜修力.阪神地震中大开地铁车站和区间隧道破坏差异成因研究[J].防灾减灾工程学报,2020,40(03):326-336.
[2]张旭,张成平,韩凯航,等.隧道下穿既有地铁车站施工结构沉降控制案例研究[J].岩土工程学报,2017,39(04):759-766.
[3]林锐,李坤杰,包逸帆,等.砂泥岩地层地铁车站暗挖隧道施工方案比选研究[J].现代隧道技术,2019,56(S2):625-630.
[4]殷一弘.深厚软土地层紧邻地铁深大基坑分区设计与实践[J].岩土工程学报,2019,41(S1):129-132.