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【摘要】基于盾构隧道临近既有地铁车站施工背景，利用有限元软件对盾构掘进过程进行数值模拟，分析了不同施工参数下盾构隧道施工对车站结构的变形影响。同时，对车站结构变形进行现场监测，总结了盾构施工过程中车站结构的变形规律。研究结果表明：改变相关施工参数可以减小地铁车站变形，该工程经济合理的注浆压力为300kPa，合理的掌子面压力为350kPa；当盾构机掘进至车站前方50m处，人行道出现沉降，随后人行道沉降逐渐变大；当盾构机刀盘穿过地铁车站，人行道沉降迅速变大，随后人行道沉降逐渐稳定。
【关键词】盾构隧道；施工参数；数值模拟；地铁车站
1引言
地铁因其快速、便捷、方便、舒适、占地少、载客量大以及运营安全等特点，在大城市得到迅速发展。随着地铁线路的迅速发展，地铁线路和既有构建筑物必然会交叉施工，尤其是已有地铁车站结构。地铁隧道的施工必然对地铁车站结构产生不利影响，甚至危害已有地铁车站的结构安全。因此，越来越多的科研工作者采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法，研究了隧道施工对既有建构筑物的影响问题。胡群芳等[1]基于现场监测结果，研究了盾构施工对既有隧道的影响，总结了隧道穿越过程中既有隧道的变形规律和施工技术措施。邵华等[2]建立三维数值模型模拟临近既有隧道的盾构隧道施工过程，分析了盾构隧道施工过程中已运营隧道变形扰动，并对相关敏感参数进行分析。房居旺[3]利用有限元软件建立数值模型，研究了隧道施工过程中地铁车站的变形规律，深入分析了变形控制措施。陈彬科等[4]基于数值模拟手段，对临近地铁车站的地铁隧道施工方案进行研究，分析了不同施工方案下既有车站变形的影响。吴浩[5]利用三维有限元软件，评估了盾构隧道下穿既有车站过程中既有地铁车站的安全性。房明等[6]利用三维数值模拟，分析了隧道下穿既有隧道的施工过程，分析了既有隧道变形过程，评估了新建隧道和既有隧道的安全性。基于某盾构隧道临近既有地铁车站的施工过程，进行数值模拟，系统分析了不同施工参数对车站变形的影响，并结合现场监测结果，分析了盾构施工过程中车站结构的变形过程。
2工程概况
某双线地铁隧道下穿地铁车站，该区间双线隧道间处于平行位置，隧道穿越地铁车站的区间范围内土层厚约20.5m。隧道下穿地铁车站段近接车站的出入口，同时经过风亭。隧道中心线与车站出入口最近距离约为15.9m。盾构隧道和既有车站关系位置如图1所示。该下穿车站的隧道区间多处于粉质黏土层，有利于盾构的掘进。表1列出了主要土层物理力学参数。
3模型建立
3.1三维数值模型
图1给出了隧道-车站结构整体模型图。该双线隧道距离为22m，隧道拱顶距地表20m，地铁车站在其上方10m处，隧道的半径为5m。采用板单元模拟地铁车站。
3.2参数选取
根据现场勘探资料，土体参数取值见表1，土体采用摩尔-库伦模型。地铁车站参数及盾构隧道参数取值：初衬厚度为0.2m，重度为15.5kN/m3，弹性模量为34.5×106kPa；盾构机护壁厚度为0.18m，重度为26.0kN/m3，弹性模量为2×108kPa；车站主体结构重度为25.0kN/m3，弹性模量为3.0×107kPa。
4模拟结果分析
图2给出了车站内人行道沉降随盾构掘进过程中的曲线图。如图2所示，当盾构刀盘距车站约50m时，车站内人行道开始产生结构沉降，随后缓慢增大。当盾构刀盘临近车站时，车站人行道沉降迅速增大。当注浆压力分别为200kPa、300kPa和400kPa时，车站内人行道最大沉降分别为-2.1mm、-1.1mm和-1.0mm。可见，车站人行道沉降随着注浆压力的提升显著减小，但当注浆压力超过300kPa后，变形控制效果有限。可见，该工程经济合理的注浆压力为300kPa。图3为不同掌子面压力下隧道施工过程中地铁车站内人行道沉降图。如图3所示，当掌子面压力分别为250kPa、350kPa和450kPa时，对应的人行道沉降峰值为-2.45mm、-1.15mm和-1.10mm。由此可知，掌子面压力对车站人行道沉降影响显著，且随着压力的增大而减小，但当掌子面压力超过350kPa后，变形控制效果有限。可见，该工程经济合理的掌子面压力为350kPa。图4给出了地铁车站内人行道变形的监测数值和数据对比。可以看出，两者曲线吻合较好，误差在合理范围内，说明了上一节中三维数值模型的合理性。图5给出了车站内人行道沉降随日期变化的曲线图。图5中选取了3个测点的监测结果，绘制了车站内人行道沉降数据曲线。如图5所示，人行道内3个监测点变形趋势一样：2月16日起，人行道出现沉降，随后人行道沉降逐渐变大再刀盘接近车站过程中。当盾构机刀盘穿过地铁车站，人行道沉降迅速变大，在人行道沉降峰值发生在21日。随后人行道沉降逐渐稳定。图6给出了地铁车站前方10m处4个时间点的地表沉降曲线。以左线隧道中心线为准，将25m范围内的监测数据制成变形曲线。通过图6可以发现，左线隧道中心线左右侧15m范围内，地表沉降显著变大，且该变形曲线呈现正态分布规律。由此可知，隧道掘进过程对隧道周边15m范围（约3倍隧道半径）土体有显著影响。5结论基于有限元软件，建立三维数值模型模拟盾构隧道临近既有地铁车站施工过程，研究了不同注浆压力和掌子面压力下盾构隧道施工对车站结构的变形影响。同时通过对车站结构变形进行监测，总结了地铁车站的变形规律，得出以下主要结论：1）地铁车站结构可以通过增大掌子面压力和注浆压力减小其变形。该工程经济合理的注浆压力为300kPa，该工程经济合理的掌子面压力为350kPa。2）2月16日起，人行道出现沉降，随后人行道沉降逐渐变大再刀盘接近车站过程中。当盾构机刀盘穿过地铁车站，人行道沉降迅速变大，在人行道沉降峰值发生在21日。随后人行道沉降逐渐稳定。
作者:张文一 刘力 单位:北京市市政工程设计研究总院有限公司