2024年5月7日发(作者：)
CRD法隧道密贴下穿地铁车站沉降控制措施研究
发布时间：2023-02-06T03:07:44.714Z 来源：《建筑实践》2022年8月第17期 作者： 李志成1，孟 贞1，徐建波1，宋建军1，任若微1
[导读] 以某新建平顶直墙隧道CRD法密贴下穿既有地铁车站为工程背景
李志成1，孟 贞1，徐建波1，宋建军1，任若微1
1.中国一冶集团有限公司交通工程公司，湖北，武汉 430080
摘 要：以某新建平顶直墙隧道CRD法密贴下穿既有地铁车站为工程背景，运用MIDAS GTS NX软件对其施工过程进行模拟，分析了在
既有车站底板下方布置四排预埋桩基与不布置预埋桩基两种情况下隧道施工对既有车站沉降变形的影响，验证了使用预埋桩基进行既有地
铁车站沉降变形控制的合理性。再着重分析了不同桩基设计参数对既有地铁车站变形控制的影响。同时在此密贴穿越工程案例中，对CRD
法主要施工参数进行了分析，分别探究了不同开挖进尺、不同开挖顺序以及施工面不同错距对既有地铁车站结构的影响情况，找到此类工
程最优施工参数，进一步减小密贴下穿施工对既有地铁车站的影响，为以后类似工程提供设计及施工参考依据。
关键词：平顶直墙隧道；交叉中隔壁法；密贴下穿；预埋桩基；施工参数优化
中图分类号：U231 文献标识码：A
Study on Settlement Control Measures of the New Tunnel Using CRD Method to Closely-Attached Existing Subway Station Structure
LI Zhi-cheng1， MENG Zhen1，XU-Jian-bo1， SONG Jian-jun1， REN-Ruo-wei1
( 1st Metallurgy Group Corporation Traffic Engineering Company, Wuhan 430080, China;)
ABSTRACT：Based on the engineering background of the new tunnel with flat-top and upright wall passing through the existing subway station
construction closely by using CRD method, and this construction process was numerically simulated by means of MIDAS GTS NX software. The
influence of tunnel construction on the settlement deformation of existing station was analyzed under the two condition about four rows of pre-
embedded piles were arranged on the existing station floor below and the pre-embedded pile was not arranged. The results have shown that use the pre-
embedded pile measures can effectively control the existing subway station structure settlement deformation and its rationality is verified. Then the
influence of different pile foundation design parameters on the deformation control of existing subway station was analyzed emphatically. At the same
time, in this engineering case, the main construction parameters of CRD method were analyzed. The effects factors of the different excavation
footages、different excavation sequences and construction of different stagger distance impact on the existing subway station structure are explored, to
find out the optimal construction parameters of this kind of project, and the influence on the existing subway station by the construction of passing
through it closely is further reduced, to provide reference for the design and construction of similar projects in the future.
KEYWORDS：Tunnel with flat-top and upright wall；Center cross diagram method；Closely-attached existing subway station；Pre-embedded
pile；Construction parameter optimization
1 引言
目前，我国城市地铁的发展势头十分迅猛，城市轨道交通的网络化运营已成为主流趋势，因此会出现大量线路交叉换乘问题，在穿越工
程中，如何采取经济可靠的工程措施，将既有地铁结构的附加变形控制在安全的范围之内是其核心问题[1,2]。
随着地铁的快速发展和大量建设，对地铁的安全控制标准也在不断提高，对地铁的安全施工技术也需不断完善和合理创新。新建地铁隧
道线路下穿既有线时，要求既有结构的沉降值控制在3mm以内，甚至在局部施工困难地域，要求引起既有结构的沉降值为零。因此，在新
建隧道施工过程中保证既有区间隧道（地铁车站）的运营安全是此类穿越工程的出发点、难点和基本目标。
目前新建隧道线路穿越既有地铁车站时，采用了一种新建隧道结构顶板与既有结构底板密贴[3]施工的穿越方式，由于新旧结构之间没
有中间夹层土体的缓冲，施工扰动导致既有地铁结构基底承载力的损失与支承条件急剧恶化，若不采取及时、有效的变形控制措施，将导
致既有结构附加变形迅速增加，对既有地铁的运营安全造成严重威胁。因此，为解决上述问题，本文设计采用一种在既有地铁车站结构底
板施工前预先埋设桩基的新型变形控制措施，使后期新建隧道密贴下穿此设置有预埋桩基的地铁车站时，让既有地铁车站基底承载力的损
失得到补偿并托换至更深部地基中，从而主动、有效地控制了既有地铁车站结构变形，保证了既有地铁车站在密贴下穿施工期间的安全运
营。
2 工程概况
某地铁车站标准段采用二层三跨矩形框架结构，砼等级为C40，其中车站内部柱采用C50砼，如图1所示。车站总长268.7m，标准段宽
24.5m，高14.85m。结构标准段覆土3.37m，底板埋深18.22m。既有车站基坑开挖后，在设计位置打入四排预埋桩基，每排7根，桩径1m，
桩长10m，采用C30钢筋砼，并通过顶部1m×1m矩形截面的桩顶梁连接，为后期施工的新建隧道提供预留条件，预埋桩与新建平顶直墙隧道
密贴。
新建隧道采用平顶直墙断面，正交密贴下穿既有地铁车站，尺寸如图2所示。隧道正洞开挖宽度为6.4m，高度为6.88m，初支护为
350mm的C20喷射砼，二衬采用C40钢筋砼，并增设临时中隔壁。
图2 平顶直墙隧道横断面图（mm）
3 有限元模型建立
3.1 地层模拟
根据工程地质勘察报告，将一定深度范围内土层性质及物理力学参数相似的土体进行合并，简化地表面及各土层，视其呈匀质水平层状
分布。各层土体均视为理想弹塑性体，屈服准则采用Mohr—Coulomb屈服准则，各土层取值参数见表1。
表1 场区地层参数
内
地
层
名
称
弹性模量
E（MPa）
泊
松
比μ
容重γ
（kN/m³）
黏聚力
C（kPa）
φ(
º )
摩
擦
角
初始
应力
参数
k
0
素
填
土
80.32178100.44
松
砂
250.302016260.32
卵
石
440.28220400.29
黏
土
岩
6000.252330450.36
根据新建隧道的开挖影响范围，尽可能消除边界效应带来的影响，模型底边界取到自隧道底部向下3倍开挖宽度、上边界取至地表，选
取地层模型整体尺寸为：长×宽×高=81m×50m×46m，如图3所示。计算模型边界条件为：地表为自由边界、土体四周及底部采用法向约束。
图3 地层模型尺寸图
3.2 既有结构模拟
车站结构采用梁板单元模拟，其余均采用实体单元模拟，既有地铁车站结构与预埋桩基模拟如图4所示。既有地铁车站标准段施加荷载
见表2。
表2 主要计算荷载
荷
载
分
类
荷
载
名
称
荷载大小荷
载
作
用
位
置
永
久
荷
载
结
构
自
重
3
25 kN/m
地
可
变
荷
载
设
面
超
载
20 kPa作
用
于
地
表
8 kPa作
备
重
量
用
于
车
站
内
部
人
群
荷
载
4 kPa作
用
于
车
站
内
部
3.3 新建隧道施工模拟
为了分析在既有车站底板下方布置四排预埋桩基与不布置预埋桩基两种情况下新建隧道密贴下穿施工对既有车站沉降变形的影响，模拟
如下两种施工方案。
方案一：全断面注浆+CRD法平顶直墙隧道暗挖，开挖前对隧道间土层及隧道外轮廓2m范围内土体进行超前深孔注浆加固，并对侧壁进
行超前小导管补注浆加固。下穿隧洞采用CRD法四步开挖步骤，如图5、图6所示，开挖步距为1m，且上一导洞开挖贯通后再开挖下一导
洞，对称施工。
方案二：预埋桩基+CRD法平顶直墙隧道暗挖，在既有地铁车站结构底板施工前预先按设计要求施做预埋桩基。下穿隧洞同样也采用
CRD法四步开挖步骤，与方案一施工步骤一致。如图5、图7所示。
4 计算结果对比分析
4.1 无预埋桩基下既有地铁车站沉降变形分析
各导洞贯通后得到整体模型及既有地铁车站竖向位移云图如图8所示。并选取既有车站底板最大沉降值处的纵断面为观察断面，并绘制
各导洞贯通情况下既有车站底板纵向最大沉降变形曲线，如图9所示。
由图8、图9可知：
施工结束时，地基土与隧道洞口周围土体产生挤压作用，洞口上方沉降、下方隆起。地铁车站底板最大沉降值为17.95mm，超过3mm的
沉降限值，最大沉降值位置发生在车站结构边跨中心处附近。
既有地铁车站底板的纵向沉降曲线呈现双凹槽形。①号导洞贯通后，车站底板（-4.8m处）最大沉降值为4.24mm，超过3mm沉降限值，
并在（-7.2m，7.2m）范围内车站底板沉降值也超过了限值。继续施工，②号导洞贯通后，沉降槽变深，车站底板（-4.8m处）最大沉降值增
大到6.41mm，但影响范围扩大至（-9.2m，9.2m）。继续开挖③号导洞，开挖面积继续增大，车站底板最大沉降值位置向③号导洞偏移，数
值增大到14.67mm，且影响范围继续扩大至（-12.4m，12.4m），在此阶段沉降数值即纵向影响范围增幅较大。当贯通④号导洞后，纵向影
响范围为（-15.0m，15.0m）。可见，在开挖上导洞①和③号时，既有地铁车站底板的最大沉降值及影响范围较大，主要因为①和③号导洞
内土体未开挖前是与车站底板直接接触，一旦土体开挖后，车站底板下方的承载力急剧丧失，且施做的隧道支护结构是滞后于土体开挖，
那么在支护结构施做并达到设计强度这段时间，车站底板几乎处于“凌空”状态，并在这段过程中车站及周围土体的应力、应变逐渐释放，
为了重新达到新的平衡，产生了较大的形变。
因此，全断面土体注浆加固控制既有车站沉降效果并不理想，为了在新建隧道开挖过程中尽可能减小对既有地铁车站造成的影响，需要
在车站底部出现“凌空”状态前采取一定措施，阻隔或减小车站和地层变形的相互影响。
4.2 有预埋桩基下既有地铁车站沉降变形分析
为了与无桩情况进行比对，各导洞贯通后得到整体模型及既有地铁车站竖向位移云图如图10所示，同样绘制各导洞开挖贯通后既有车站
底板纵向最大沉降曲线图，如图11所示。
由图10、图11可知：
在布设预埋桩基下，施工结束时，从云图可知，隧道洞口上方沉降，下方隆起，但各变形量远小于不设预埋桩基的情况。车站底板沉降
最大值为2.75mm，未超过3mm的控制标准值，而最大沉降值位置已经不在车站结构边跨底板中心处附近，而是偏向于车站外侧墙底板边缘
处。从云图中也可以看出由于桩的作用，与桩接触的车站底板周围略微隆起，说明预埋桩基在很大程度上顶托着既有车站底板，阻止了车
站沉降变形。主要因为在隧道开挖的过程中，不可避免的会对地层产生影响，导致洞口底部一定范围内土体回隆，而预埋桩基的桩身正处
于这部分回隆土体中，从而带动桩体上移，承托着车站底板。同一时间，隧道中土体开挖还未支护形成“凌空”状态时，车站、土体、隧道
之间要达到新的受力平衡，车站不可避免的会发生形变，从而会对周围土体产生影响，但由于此时预埋桩基的承托作用，使施工扰动引起
的附加荷载由预埋桩基承担并将其传至深部土层，从而降低了对车站及隧道附近土体的扰动，使车站沉降变形大大减小。
从纵向沉降曲线上可知，车站底板纵向沉降变形范围主要发生在隧道左右线两侧预埋桩基内部，说明由于预埋桩基的存在阻隔了地铁车
站沉降变形纵向扩展，具有遮拦效应，缩小了地铁车站纵向沉降影响范围。
因此，预埋桩基能够很大程度地减小新建隧道施工对既有地铁车站的影响，通过设置预埋桩基控制车站沉降变形合理可行。
5 桩基不同设计参数对车站沉降变形的影响分析
预埋桩基设计参数的选取依据和规范较少，且具有不确定性，通过改变桩基长径比、距径比[4]等方式，找到更为合理的预埋桩基设计
参数，为以后类似工程提供桩基设计参考依据。
5.1 预埋桩基不同长径比的影响
在桩径为1m的原基础上，选取长径比l/d=8、10（原设计）、12、14、16，再分别建立计算模型。并绘制既有地铁车站底板纵向沉降变
形曲线，如图12所示。并统计既有地铁车站最大沉降值，见表3。且每排桩基仍为7根，新建隧道开挖过程均与方案二一致。
由表3和图12可知，随着桩基长径比的增大，既有地铁车站沉降变形逐渐减小。但随着桩基长径比的增加，既有地铁车站沉降值的减小
程度逐渐减小；当长径比大于12时，再继续增大桩径比，桩基对既有地铁车站的沉降变形控制效果越来越不明显，且一味地增大桩径比会
增加施工难度，因此，不建议单独使用这种优化措施来控制新建隧道施工对既有地铁车站结构沉降变形的影响。本案例在桩径为1m不变的
情况下，把桩基长径比控制在10~12范围内较为合理。
5.2 预埋桩基不同距径比的影响
在桩径为1m的原基础上，选取每排预埋桩基根数为3、5、7（原设计）、9、11，依次对应的距径比为12、6、4（原设计）、3、2.4，再
分别建立计算模型。并绘制既有地铁车站底板纵向沉降变形曲线，如图13所示。并统计既有地铁车站最大沉降值，见表4。每排桩基桩长均
为10m且等距排布，新建隧道开挖过程均与方案二一致。
图13 桩基不同距径比下既有地铁车站纵向沉降变形曲线
表4 不同距径比下既有地铁车站最大沉降值对比表
车站
距径
比
底板
最大
沉降
值
沉降值
依次减
小百分
比
12
-5.01
mm
/
6
-3.19
mm
36.33%
4（原
设
计）
-2.75
mm
13.79%
3
-2.49
mm
9.46%
2.4
-2.36
mm
5.22%
由图13和表4可知，随着桩基距径比逐渐减小，既有地铁车站沉降变形逐渐减小；但随着桩基距径比的减小，既有地铁车站沉降值的减
小速率逐渐减小；当距径比小于4时，再减小距径比，会使预埋桩基对既有地铁车站的沉降变形控制效果不明显，且每排桩数量越多，桩与
桩之间的相互影响越大，桩对土体的扰动也越严重，说明不能仅增加每排桩基数量来控制新建隧道施工对既有车站结构沉降变形的影响，
应合理选择距径比，因此，本案例在桩径为1m不变的情况下，选取桩基距径比为4（每排等距7根桩）较为合理。
6 新建隧道密贴下穿地铁车站施工参数影响分析
为进一步减小在隧道密贴下穿施工过程中对地铁车站的影响程度，对施工参数进行研究，优化施工过程，对以后类似工程施工设计提供
参考依据。
6.1 开挖进尺的研究
减小开挖进尺，使土体的暴露量和开挖量减小，对土体的扰动相应减小，并加快了初衬封闭，减小了土体应力释放率，从而使地铁车站
的沉降变形减小[5,6]，因此就不同开挖进尺进行数值模拟，研究不同开挖进尺对此下穿工程的影响程度，从而确定合理的开挖进尺，建立
模拟工况如表5。
表5 不同开挖进尺数值模拟工况表
工况
名称
开挖
进尺
其它开
挖情况
工况
1
0.5m
工况
2
1.0m
工况
3
1.5m
工况
4
2.0m
工况
5
2.5m
工况
6
3.0m
无
预埋桩
基（全
断面注
浆加
固），
左右隧
道对称
开挖，
上一导
洞贯通
后再开
挖下一
导洞，
自上而
下开挖
导洞，
先开挖
内侧导
洞，再
开挖外
侧导
洞。除
开挖进
尺变化
外，其
余均与
方案一
一致。
工况
7
0.5m
工况
8
1.0m
工况
9
1.5m
工况
10
布
设预埋
桩基，
左右隧
道对称
开挖，
上一导
洞贯通
后再开
挖下一
导洞，
自上而
下开挖
导洞，
先开挖
内侧导
洞，再
开挖外
侧导
洞。除
开挖进
尺变化
外，其
余均与
方案二
一致。
2.0m
工况
11
2.5m
工况
12
3.0m
按工况1~12建模并计算，得到各工况下地铁车站最大沉降变形值，并绘成曲线，如图14所示。
（a）地铁车站底板最大竖向变形值（无预埋桩基）
（b）地铁车站底板最大竖向变形值（有预埋桩基）
图14 有无预埋桩基下既有地铁车站底板最大沉降值
由图14可知，以开挖进尺1.0m为基准。在无预埋桩基下，采用0.5m进尺时，地铁车站的最大竖向变形值减小了2.23%，而依次采用
1.5m、2.0m、2.5m和3.0m进尺时，地铁车站的最大竖向变形值分别增大了4.85%、9.86%、17.83%和30.81%；而在有预埋桩基下，采用0.5m
进尺时，地铁车站的最大竖向变形值减小了2.91%，而依次采用1.5m、2.0m、2.5m和3.0m进尺时，地铁车站的最大竖向变形值分别增大了
6.18%、14.55%、24.36%和30.18%。
由此可见，不论地铁车站底板下方有无预埋桩基，随着开挖进尺的增大，新建隧道CRD法施工对地铁车站的影响程度在不断增大，但
在采用了预埋桩基措施后，其增大的幅度却是呈先增大后减小的趋势。因此，原本需要采用短进尺开挖的新建隧道，在增设预埋桩基后，
使增大开挖进尺施工成为可能。结合本案例，为了提高施工效率，布设桩基后，在新建隧道掌子面位于地铁车站下方时，建议采用1.0m左
右的开挖步距；当新建隧道掌子面不在穿越段范围内时，建议采用1.5m的开挖步距。
6.2 开挖顺序的研究
当新建双洞隧道间距较小时，左右线隧道施工对围岩的扰动叠加效果较大，并且引起的荷载释放在时间和空间上均距离较近，使得既有
车站沉降累加变形量增大[7~9]。因此，就不同导洞开挖顺序进行数值模拟，研究不同开挖顺序对下穿工程的影响程度，因此建立模拟工况
见表6。
表6 不同开挖顺序数值模拟工况表
各导
工
况
洞开
挖顺
序
其它开挖
情况
先
开挖
内侧
工
况
一
导
洞，
再开
挖外
侧导
洞
无预
埋桩基，
左右隧道
对称开
挖，上一
导洞贯通
后再开挖
下一导洞
（开挖错
先
开挖
外侧
工
况
二
导
洞，
再开
挖内
侧导
洞
距为
50m），自
上而下开
挖导洞，
开挖进尺
均为
1.0m。
先
开挖
内侧
工
况
三
导
洞，
再开
挖外
侧导
洞
布设
预埋桩
基，左右
隧道对称
开挖，上
一导洞贯
通后再开
挖下一导
洞（开挖
错距为
50m），自
工
况
四
先
开挖
外侧
导
洞，
上而下开
挖导洞，
开挖进尺
均为
1.0m。
再开
挖内
侧导
洞
按各工况进行建模并计算，得到各工况下地铁车站最大沉降变形值，并绘成曲线，如图15所示，并统计见表7。
（a）地铁车站底板最大沉降值曲线（无预埋桩基）
（b）地铁车站底板最大沉降值曲线（有预埋桩基）
图15 有无预埋桩基下既有地铁车站底板最大沉降值曲线
表7 各导洞贯通后地铁车站底板历史最大沉降值（mm）
开
挖
步
骤
工况
一
工况
二
沉降
减小
百分
比
工况
三
工况
四
沉降
减小
百分
比
①
号
导
洞
贯
通
-4.24-3.1425.9%-0.80-0.7111.3%
②
号
导
洞
贯
通
-6.41-5.2118.7%-1.13-1.0110.6%
③
号
导
洞
贯
通
-14.64-12.3016.0%-2.52-2.289.5%
④
号
导
洞
贯
通
-17.25-16.007.2%-2.75-2.566.9%
由图15可知，在工况二下，各导洞贯通后，地铁车站底板历史最大沉降值都要小于工况一的情况。在工况四下，各导洞贯通后，地铁车
站底板历史最大沉降值都要小于工况三的情况。说明不论是否设置预埋桩基，导洞不同开挖顺序施工都会影响地铁车站的沉降变形，均在
采用先开挖最外侧导洞的工况下，既有地铁车站的沉降变形趋势和数值有所减小。
由表7可知，在有预埋桩基下，各导洞贯通后，地铁车站底板历史最大沉降值减小的百分比均比无预埋桩基的情况要小，说明设置预埋
桩基后，阻隔了地铁车站沉降变形纵向扩展的趋势和左右线导洞开挖的相互影响，因此削弱了不同开挖顺序对既有地铁车站沉降变形的影
响程度。
6.3 施工面错距的研究
在上文中，双线隧道各导洞开挖错距均是上一导洞贯通后，再进行下一导洞开挖，这样虽然保证了施工安全，却延长了工期，因此通过
改变各导洞施工面错距的大小，研究不同施工面错距情况下对地铁车站的影响，从而确定合理的错距范围。
模拟时，所选取的施工面错距分别为：5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m、45m和50m。为控制变量，除错距不同外，其
他施工参数均与方案一和二一致。
图16 各导洞开挖错距为10m时数值模拟（仅示意一侧）
通过数值模拟分析，绘制不同开挖错距下地铁车站底板最大沉降值曲线图，如图17所示。
（a）地铁车站底板历史最大沉降值曲线图（无预埋桩基）
（b）地铁车站底板历史最大沉降值曲线图（有预埋桩基）
图17 不同错距下地铁车站底板历史最大沉降值曲线图
由图17可知，无论地铁车站底板下方有无预埋桩基，随着错距增大，地铁车站底板最大沉降值均在逐渐减小，最后趋于平稳，说明不能
用一直增大施工面错距来控制地铁车站沉降变形。在无预埋桩基下，当错距超过25m以后，地铁车站底板的最大沉降值变化不再明显，而
布置预埋桩基后，错距仅超过15m后，地铁车站底板的最大沉降值变化不再明显。因此，间接验证了预埋桩基阻隔了左右线隧道施工的相
互影响及地铁车站沉降变形纵向扩展的趋势。因此结合本案例，在方案二下，施工错距取值范围在20m~30m之间较为合理。
7 结论与建议
1）采用CRD法密贴下穿工程中使用预埋桩基控制既有车站的沉降变形是安全可行的，保证了施工质量，降低了施工风险。
2）由于预埋桩基的存在，一方面承托着既有地铁车站抑制着其沉降变形，另一方面预埋桩基就像一道屏障，阻隔了左右线隧道开挖的
相互影响，减小了隧道施工对附近土体的扰动，使既有地铁车站的沉降变形纵向扩展趋势得以削弱。
3）在桩径不变的情况下，通过增大桩长径比或减小距径比均能在一定程度上有效控制既有地铁车站的沉降变形。本案例中建议桩径为
1m不变，把桩基长径比控制在10~12范围内，且每排桩基距径比为4（每排等距7根）时较为合理。
4）为了更加安全、合理、经济的施工，结合分析结果，建议当新建隧道掌子面位于既有地铁车站下方时，采用1.0m左右的开挖进尺，
当新建隧道掌子面不在穿越段范围内时，采用1.5m的开挖进尺。开挖顺序建议采用先自上而下对称开挖最外侧导洞，再自上而下对称开挖
最内侧导洞。开挖错距建议选在20m~30m之间。
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[9] 陈仲颐，周景星．土力学[M]．北京：清华大学出版社，1994．
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