大跨暗挖地铁车站施工对周边既有构筑物的影响分析及措施研究

摘要：由于城市有轨交通系统受环境的限制，修建大断面隧道是不可避免的。在建筑物密集和交通繁忙的城市中心区，出现了大量大断面的地下工程。因此，研究大跨暗挖地铁车站施工对周边既有构筑物的影响有着重要的意义。本文通过实际的工程案例，利用数值模拟施工工况，同时根据监测处理结构与数值分析结果进行对比分析，得出了一些结论，可供工程人员参考。

关键词：大跨暗挖地铁车站、数值模拟、监控量测

中图分类号： U231 文献标识码： A

ABSTRACT： As a result of urban rail transport system subjected to environmental constraints，it is inevitable to build large―section of shallow tunnel．Particularly in recent years，there is a large number of large-section shallow underground projects in the central area of intensive buildings and heavy traffic density． Therefore，it is very important to study Large cross-Built Subway Station which will Influence the structures surrounding. This passage gets some conclusions for engineering officers by the results with the numerical simulation and Monitor and Control.

KEYWORDS： Large cross-Built Subway Station ；numerical simulation；Monitor and Control

1．引言

重庆轨道交通由于其特殊的地形地貌，地铁车站施工多采用大断面暗挖法施工，同时在其周边存在大量的既有建构筑物，因此近距离施工大断面隧道不可避免。

针对如此复杂条件下的大断面暗挖隧道工程，在各个阶段（设计、施工）都要足够重视，应进行相应的风险评估及方案措施研究。首先，地勘应有针对性的详堪，对车站结构围岩条件特别是薄弱部位进行相应的判断；对既有建构筑物的基础应有详细的物探资料；对构筑物年限、变形控制标准应提出建议性的控制值等。其次，针对设计方案应制定相应的安全标准（评判依据）。最后，通过数值模拟进行分析、针对模拟结果制定相应的设计参数与方案、信息化施工，根据实测数据反馈优化设计方案。下文将通过对实际典型案例进行具体分析，期望以对后期类似情况具有可借鉴的参考价值。

2.工程背景

本站为重庆地铁6号线一期工程重要站点，为地下暗挖大跨双层车站。本站途经的区域为闹市商业区，沿线高层、多层建筑较多。

2.1地质构造

场地位于川东南弧形构造带华莹山带状褶皱构造束东南部，岩层呈单斜产出。岩层倾向295°，岩层倾角16°左右。区内无断层，地质构造简单。岩层层面结合较好，属硬性结构面。在现有勘探深度内，地下水类型为潜水，属弱透水、弱富水层。结构计算时不考虑地下水，土层的加权平均容重取19.3kN/m3。地面以下土层的水平基床系数为30Pa/m，竖直基床系数为35MPa/m，加权平均水平侧压力系数取0.50。

2.2建构筑物概况

表1-1车站周围建筑物一览表

建筑物名称 建筑层数 底标高(m) 地下室层数 结构类型 基础类型 与车站的关系 基础底标高(m)

居民楼 4～31 215.80 4 框架 桩基础 左侧12m

建设银行 6 237.60 1 砖混 独立、条形基础 站上 232.9～234.4

邮政局 5 239.21 局部1 砖混 条形基础 站上 236.15～236.95

1#大厦 28～34 238.90 1 框架 桩基、独立柱基 左侧 216.96～237.70

2#大厦 6～28 234.34 2 框架 桩基础 左侧6m 229.50～230.30

绿化平台 233.65 4 框架 独立基础 右侧 231.9左右

广场大楼 9 222.25 5 框架 独立、桩基础 右侧 219.4～229.7

2. 3车站结构尺寸及施工方法

断面轮廓宽25.570m，高19.608m，二衬厚度800mm。

车站采用暗挖法施工，开挖采用分部开挖法（双侧壁导坑＋台阶法），初期支护采用喷锚支护，分部开挖完成后及时施作初期支护喷层和拱架，打设系统锚杆，并施作临时锚杆加固中核心土，隧道开挖及支护共11部完成，最后二次衬砌封闭成环。

3. 对近距施工暗挖隧道的风险评估方法及评判依据

3.1对近距施工暗挖隧道的风险评估方法

目前对此类重点风险源工程，主要的评估方法是采用合理的数值模拟进行计算分析。首先通过有效的数值模拟计算，分析暗挖车站在现有的设计施工开挖步序、支护程序、支护手段下，整个暗挖地铁车站施工过程对隧道围岩、地表、地表建筑的影响；提取车站附近代表性建筑的变形、变位情况（如基础的下沉、楼房的倾斜情况等）,保障结构的有限变位和建筑物安全。然后提取设计支护手段的受力及变形特征，判定支护手段的可行性，最终为车站优化设计、施工提供依据。最后根据实时监测数据反馈，进一步优化设计参数及开挖步序。

3.2评判依据

从目前国内外的研究成果来看，主要是根据洞室地基破坏模式，从三个方面去考虑失稳判据：岩体强度破坏、建筑地基破坏、洞室变形破坏。综合前人研究成果和工程实际特点，在计算分析与监控量测过程中，一般采用的安全控制指标或评价依据主要为以下三点：1、剪切破坏模式的控制指标，地基关键承载区的损伤度一般以塑性区在承载区的开展程度来判定；2、地面建筑地基变形控制准则，一般要满足我国目前现行的《建筑地基基础设计规范》中关于建筑物地基变形允许值的要求；3、洞室变形控制指标，一般要满足我国现行地铁设计规范与铁、公路隧道规范要求及一些地区性专业性的相关规范指标。

4. 计算模型及结果分析

4.1 计算模型

本次的计算模型采用通用数值软件FLAC3D进行。本次计算中对整个地层和结构作了相应的计算处理，其中模型材料处理：地层材料砂岩、粉质砂岩及粉质粘土层、小导管注浆加固层采用采用D-P模型材料进行模拟； 初期支护喷射结构采用弹性材料进行模拟，锚杆、锚索采用锚杆单元（Cable）进行模拟，二次衬砌结构采用弹性材料进行模拟；建筑结构处理。周围的房屋结构，桩基础结构采用桩单元（Pile）进行模拟，扩大基础或独立基础采用弹性单元模拟，建筑荷载通过计算以均布力的形式作用于基础底部。

4.2.计算结果与分析

为了能更好的观察空间的计算结果，本次分析分别提取典型阶段的应力与位移结果，可以从中看出塑性区，应力分布，位移分布等内容，具体结果见图3~7.

作者简介：代坤（1984~），男，籍贯湖南，2009年毕业于兰州交通大学岩土与地下工程专业，硕士，工程师，现从事设计工作

图1 figure 1图2figure 2

图3 figure 3 图4 figure 4

图5 figure 5图6 figure 6

图7 figure 7

从数值计算中可以看出：1、按现设计的方案，施工全过程中最大受压主应力集中于地面建筑结构处，而最大的受拉大主应力主要分布在隧道结构拱底。最大主应力的最大值均不超过围岩的极限强度，围岩是稳定的。2、从计算的塑性区图来看，地铁车站的开挖亦未引起大量的围岩局部塑性区的发生和发展，但在施工过程中，局部的拱架和喷射混凝土层有局部的压曲现象，出现了局部剪切塑性区，拱底左侧处亦出现了较小一块局部剪切塑性区,应注意锁脚锚杆的施作与质量。3、构筑物及全局位移来看，随着隧道的不断开挖施工，竖向位移、水平位移有逐渐增加的趋势。最大的竖向位位于隧道左侧拱腰中部，即第①块开挖顶部，紧邻结构物侧；最大水平位移位于建筑物侧左拱脚处，施工时应注意锁脚锚杆的施工及质量。整体来讲隧道开挖围岩位移小于临界值或报警值。4、结构桩基在不同的开挖时步下除小部分桩基的部分段在开挖施工中发生滑移情况外，桩基整体是处于稳定状态的。而从桩基位移来看，隧道施工完成后，位移方向偏向于隧道通过方向；从临隧道侧第一排基础至最后一排基础位移呈依次递减的趋势，差异沉降值、房屋倾斜度是处于安全范围内的。

从以上分析和实测结果可以看出地铁车站隧道的施工过周围的建（构）筑物有一定的影响，尤其是构筑物整体性较差，基础形式整体变形协调性较差的建筑容易受到开挖影响而发生不可预见的变化甚至破损。从数值模拟计算得到的结果和实际实时监测结果可以看出，针对特定部位采取局部加强支护参数等方法是可行有效的。

5.相应的措施及其效果分析

通过数值模拟分析，在既有构筑物正下方及侧下方实施大跨暗挖隧道施工，对构筑物基础是会产生一定的影响的。这种影响主要源于隧道开挖施工造成的地层应力重分布，从而引起相应的位移变形。隧道开挖面积越大，跨度越大，所影响的范围也越广；而岩层的好坏、隧道的体量与埋深、开挖方式的选择等因素又对其影响程度起着重要的作用。通过尽量创造条件避免不利因素，或是采取相应措施对其进行补强等方式，是解决此类问题的原则性方式。

对近距离穿越既有构筑物的地下结构施工，在保证自身结构的前提下，对既有构筑物所采取的保护措施主要可以从以下三个方面考虑：1、加强隧道自身初支强度，采取合理施工方式保护围岩，控制变形。在城市中施工地下工程，与新奥法的理论有所区别，那就是控制围岩的变形。通过弱爆等方式保护围岩，增加初支的刚度以及采取相应的辅助措施，合理的开挖步序和及时支护等方式把开挖形成的塑性区控制在一定的范围，是可以达到很好的目的的。上述工程通过加强初支刚度，施做侧向以及顶部超前管棚、侧向预应力锚索等措施，很好的控制了围岩的变形。2、在地下结构与既有构筑物间采取隔断措施。此类方式一般通过在隧道与既有构筑物基础间设置隔离桩、墙或加固段等方式，隔断因隧道开挖引起的地层变形传递至建筑物基础的路径。此类方式在各地建设工程中都有很多成功的案例，效果也很明显。3、对既有构筑物基础进行加固。隧道等地下结构施工对地层的影响都有一定的范围，将既有构筑物基础进行补强，如设置桩基等，使基础主要承载部位避开影响区从而达到降低影响的目的；或是将地基与结构本身整体加强，提高整体受力刚度，避免过大的差异沉降。上述工程通过对周边建筑特别是砖混结构进行地基补强，跟踪注浆等措施，达到了很好的效果。

6.结论

通过上述实例的分析，在施工期间通过相应的措施已及计算分析，是可以有效的保证暗挖隧道已经周边建筑物的整体安全。但是，我们要清醒的意识到，地下结构的施工条件变化莫测，岩层的特性遇突发性状况等不可预见的因素极多。一些主体隧道深埋段出现塑性挤压整体变形破坏的可能性较小，但是隧道开挖过程中，仍可能出现因结构面切割的不稳定块体出现滑落或坍塌等状况。因此应注意实际开挖的步骤方式，加强相应的监控，严格遵守信息化施工模式，采取相应的措施，才能保证工程的顺利施工。

参考文献：

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