先期实施车站预留盾构隧道下穿条件的研究与实践

先期实施车站预留盾构隧道下穿条件的研究与实践

黄全强

广州地铁设计研究院有限公司广州510010

摘要：本文以南宁地铁试验站广西大学站为工程实例，利用有限元分析软件SAP2000对5号线盾构区间下穿先期实施的广西大学站引起的内力及变形影响进行数值模拟计算，并将计算结果应用于先期实施的广西大学站的设计加固方案。通过数值模拟分析及广西大学站的应用实践，为盾构区间下穿先期实施车站提供新的设计思路及方法。

关键词：先期实施；SAP2000；数值模拟；内力及变形

1引言

目前全国很多城市都在大力发展地铁工程，有些大中城市存在多条地铁线同期建设，并在不断地推进新线建设，可以说目前地铁建设正处于一个一波未停一波又起的黄金时期。地铁新线的建设可能对先期实施的地铁车站或区间产生一定影响，特别是对于采用通道方式换乘的地铁车站，先期实施的车站如果不提前采取加固措施预留条件，则后期区间的实施可能会对已建成或已运营的车站造成较大的影响。正是基于这一点，本文以南宁地铁1号线与5号线的换乘站-广西大学站为工程实例，旨在通过利用SAP2000对先期实施车站如何预留盾构隧道下穿条件进行数值分析，并将结果应用于广西大学站加固设计，为其他地铁类似工程提供设计思路及方法。

2工程概述

广西大学站是南宁市地铁试验站，地铁1号线第九座车站，站位与5号线交会于大学路与明秀西路十字路口地下。车站呈东西向布置，西侧设置双存车线，全长462米，宽20.7米，为地下两层三跨岛式车站。车站采用明挖施工方法，站厅层预留换乘通道与5号线车站相连接。1号线为先期实施线路，5号线为后期实施的线路，广西大学站位于5号线盾构隧道的上方（下文如无特别说明，提及的“车站”为先期实施的1号线广西大学站；提及的“盾构隧道”为后期实施的5号线盾构隧道）。

车站主体基底埋深约16.4~17.7m，地层从上到下大致为素填土①、粘性土②、粉细砂④、圆砾层⑤、粉砂岩及泥岩⑦。车站底板均位于圆砾⑤层中，呈中密～密实状，该层分布连续，渗透系数大，达60m/d，层厚6.10～15.60m，车站采用地下连续墙+内支撑的支护体系。

3模型的建立

3.1SAP2000程序简介

SAP2000是由美国（CSI）公司开发研制的通用结构分析与设计软件，它可以对建筑结构、工业建筑、桥梁、管道、大坝等不同体系类型的结构进行分析和设计。SAP2000的功能十分强大，它既可以完成平面模型、三维等模型的计算分析，也可以对线型和非线性的有限元进行模拟计算。SAP2000中文版集成的界面十分友好，提供给工程师的是一个集成化的视图环境，这个视图环境可以设置所要展现的视图数目及布局，可以在任意一个视图窗口中进行所需要的任何操作，任意窗口都可以显示结构模型的平面图、立面图和三维空间图。

3.2模型的建立

为了简化模型计算分析，取平面尺寸为70m×20.7m，厚度为900mm的底板模块单元进行计算，底板中部为2根1.4m×2.0m的结构梁，墙厚0.7m，基坑底部采用土弹簧进行约束，然后分别将上部柱子的集中力、列车荷载、站台层荷载、车站两侧侧墙的均布荷载及弯矩等荷载数值分别加载到模型上，并进行网格细分，模型建立完成。

4数值模拟分析及应用

5号线盾构区间下穿1号线车站必然会引起的地层及结构沉降变形，这对先期实施的车站结构底板的变形及内力影响较大，影响着先期实施车站的结构设计。为了便于对比分析，利用sap2000分别对盾构区间下穿车站前和下穿车站后两种情况下车站底板的弯矩、剪力、竖向变形等方面进行模拟计算，分析的结果如下。

4.1底板的弯矩

图1和图2分别是盾构隧道下穿车站前和和盾构隧道下穿车站后车站底板的弯矩云图。从图1中可以看出，盾构隧道穿越前，在柱子的集中荷载作用下，柱子附近底板的弯矩很大且是下部受拉（“+”值），在梁和侧墙的之间的一定区域内出现了负弯矩（即上部受拉）的情况，而且相邻的两根柱子中间区域负弯矩较大；盾构隧道下穿后，如图2所示，在盾构隧道穿越的区域的正上方，车站底板弯矩明显增大，而原来较大负弯矩区域则沿着隧道纵向往两边偏移，柱子附近底板的弯矩由原来的1242.6kN•m增大到1978.3kN•m，同时隧道正上方相邻两排柱子之间底板的弯矩由原来的50kN•m急剧增大到900kN•m。

经分析，这主要是由于隧道顶部离车站底部较近，竖向净距只有1.5m左右，盾构穿越引起土体松动，而在实际盾构掘进的过程中很难真正意义上实现同步注浆，所以简化的计算模型相当于先期实施的车站在隧道穿越的区域土体被挖空，这必然会导致竖向变形较大，从而产生较大的弯矩。

4.2底板的剪力

图3和图4分别是盾构隧道下穿车站前和和盾构隧道下穿车站后车站底板的剪力云图。图3和图4均表明，在柱子下面梁的侧边一定范围内，板的剪力很大，主要是由于柱子的集中力比较大，导致该区域存在应力集中的问题。

而图4则表明，盾构隧道下穿车站后隧道正上方及两边一定范围内板的剪力都有所增大，特别是隧道两侧的车站主体侧墙附近，板的剪力急剧增大，由原来的737.5kN增大到3290.4kN，究其原因主要是因为墙的竖向刚度较大，盾构隧道穿越后，隧道上部底板的剪应力向两边的墙和梁传递，导致了墙的剪应力出现局部增大。

4.3底板的变形

图5和图6分别是盾构隧道下穿车站前和和盾构隧道下穿车站后车站底板的竖向沉降变形云图。从图5中不难发现，在盾构隧道通过前，在柱子和结构梁相应位置的底板其沉降变形较大，平均竖向位移约为10mm，而对地铁运营影响较大的轨行区相应底板的竖向变形约为12mm；盾构隧道下穿车站后，如图6所示，盾构隧道的正上方的底板的变形明显增大，呈U形沉降，平均沉降变形达到了27mm左右，而对地铁运营影响较大的轨行区相应底板的竖向变形也达到了25mm。这样盾构隧道下穿车站引起轨行区底板的附加沉降变形值约为25mm-12mm=13mm。

4.4数值模拟结果的应用

根据前面的数值模拟分析研究，不难发现，盾构区间下穿先期实施车站对车站结构的弯矩、剪力、沉降变形等均增加较大。先期实施的广西大学站根据弯矩及剪力数值进行盾构区间可能穿越范围内的底板配筋计算，需对该区域的配筋进行加强设计，且须按双向板进行加强设计，横向受力主筋的直径由22mm增大为28mm，纵向分布钢筋直径由构造钢筋16mm增大为25mm。同时，底板配筋加强范围相应的底板结构梁也需进行加强设计。

车站底板以下地层为圆砾层，该地层无粘聚性，渗透系数达到60m/d，整体稳定性较差，经数值模拟5号线盾构近距离（与底板约1.5m）穿越圆砾层对底板的沉降变形影响较大。为了减小运营期间5号线盾构隧道实施对1号线车站的影响，设计经分析需对穿越地层做加固处理。加固方案采用直径42mm的袖阀管注浆，注浆间距为1.2m，梅花形布置。

5结论

本文通过对5号线盾构区间下穿广西大学站引起的内力及变形进行数值模拟分析，并根据计算结果对先期实施的广西大学站采取设计加固方案，从中得出以下几点结论：

（1）盾构隧道下穿先期实施车站对车站结构的弯矩、剪力、沉降变形等数值均有较大的增加，先期实施车站须提前对结构底板（包括底梁）的配筋进行加强设计。

（2）通道换乘车站，盾构隧道与车站的净距一般很小。对于先期实施车站，底板下方稳定性较差的地层需要进行提前注浆加固处理，减少后期盾构隧道实施对既有地铁线路运营的影响。

参考文献

[1]闫东,戚春香,冯清海.SAP2000结构工程分析及实例详解[M].中国建筑工业出版社,2014.

[2]陶连金,唐四海,金亮.隧道上穿既有车站结构的变形预测及安全评估[J].地下空间与工程学报,2008（03）.

[3]毕俊丽，王伟锋.新建地铁车站零距离下穿既有线区间影响分析[J].现代隧道技术,2010（05）.

[4]张海波,殷宗泽,朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J].岩石力学与工程学报,2005(05).

[5]韩煊,刘赪炜,JamieRStanding.隧道下穿既有线的案例分析与沉降分析方法[J].土木工程学报,2012（01）.

作者简介

黄全强（1984–），男（壮族），广西南宁人，本科毕业于哈尔滨工业大学，研究生毕业于天津大学，硕士。