地鐵盾構隧道下穿鐵路車站施工對站臺無柱雨棚樁基的風險分析

盧裕杰

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，102600，北京∥工程師)

地鐵盾構隧道下穿鐵路車站是一項高風險的工程，目前相關的研究主要集中在股道的變形上［1-4］。但鐵路車站內建(構)筑物形式多樣，僅考慮股道的風險控制是不夠的。事實上，站臺無柱雨棚的樁基變形也是盾構隧道下穿鐵路車站施工中不可忽略的風險點。站臺無柱雨棚的柱子設置在股道之間，盾構隧道施工導致的樁基變形不但影響其美觀效果和正常使用，甚至會危及行車安全，造成嚴重的后果［5-6］。這凸顯了對其進行風險研究的重要性和迫切性。

基于此，本文以昆明城市軌道交通首期工程環(huán)城南路站—昆明火車站站盾構施工區(qū)間為例，在進行數(shù)值模擬的基礎上，對地鐵隧道穿越站臺無柱雨棚的施工風險進行綜合分析，并提出規(guī)避風險的措施。本研究旨在完善地鐵隧道穿越鐵路車站的風險分析體系，為類似工程的設計、施工提供參考。

1 工程概況

昆明城市軌道交通首期工程環(huán)城南路站—昆明火車站站區(qū)間全長1 291.81 m，左右線線間距最大值為24.20 m;區(qū)間最大坡度為29.63%，最小坡度為10.49%，覆土厚度 10.79～23.36 m。地鐵隧道采用土壓平衡式盾構施工，外徑6.20 m，襯砌厚度0.35 m。盾構施工自昆明火車站站始發(fā)，先左線，完全通過昆明火車站后再施工右線。

在地鐵左線里程ⅠDK13 +850～ⅠDK13 +989區(qū)間，線路以75°夾角下穿昆明火車站股道，從站臺無柱雨棚的樁基群中穿過，主要影響周邊6 組樁基。其平面位置關系如圖1所示。其中，受影響最大的2 組樁基位于左線里程ⅠDK13 +879.11 處(圖 1 中A-A 剖面的1、2 組樁基)，其分別與左、右線隧道結構外輪廓的凈距為2.66 m 和0.84 m。

昆明火車站站臺無柱雨棚于2006年建成投入使用，為大跨鋼管桁架網架結構。雨棚柱縱向(沿股道方向)間距為15～25 m，橫向(垂直股道方向)間距分別約為47.20 m 和41.25 m。柱基礎采用φ600 mm 摩擦型鉆孔灌注樁，兩樁一承臺形式，樁長30 m。受影響最大的樁基與地鐵盾構隧道的橫向關系如圖2所示。

圖1 地鐵盾構隧道與站臺無柱雨棚樁基的平面關系圖

圖2 地鐵盾構隧道與站臺無柱雨棚樁基的橫向關系圖

場區(qū)地層自上到下依次為雜填土①1，黏土②3，粉砂③3。盾構隧道主要從粉砂層中穿越。粉砂層分布較連續(xù)，呈褐灰、灰、深灰色，中—密實，為中壓縮性土。

地下水主要賦存于第四系黏土及粉砂中，多以潛水或上層滯水形式存在，局部具微承壓。地下水位于地表下約1～2 m。

2 盾構隧道下穿站臺無柱雨棚的主要風險

地鐵隧道下穿昆明鐵路車站施工對站臺無柱雨棚柱基的主要風險如下:

1)引起鉆孔灌注樁整體沉降:盾構在樁側推進時，隧道周圍土層將不可避免地受到擾動，產生沿隧道方向的沉降，樁基相對土體有向上的運動趨勢，產生負摩擦力，使樁基承載力降低。由于站臺無柱雨棚基礎為摩擦型鉆孔灌注樁，摩擦力的損失可能導致其發(fā)生過量的沉降。

2)引起鉆孔灌注樁間的差異沉降:盾構推進所導致的地表變形在三維上表現(xiàn)為一個凹形沉降槽［7-8］，這使得處于不同位置的鉆孔灌注樁會發(fā)生不同的沉降量，從而導致雨棚樁基發(fā)生差異沉降。

3)引起鉆孔灌注樁的側向變形:在盾構推進過程中，樁周圍土體除產生豎向位移外，還有水平向位移，導致樁基產生沿深度方向不同的側向變形，從而引起樁基的扭曲、傾斜等。

4)盾構穿越粉砂層時出現(xiàn)漏水、漏沙現(xiàn)象:由于地鐵區(qū)間隧道處在粉砂③3層，地層空隙率較大，且土自身不具有造泥性，盾構通過時可能出現(xiàn)漏水、漏沙現(xiàn)象，造成地層損失，從而危及樁基安全。

5)盾構機碰撞鉆孔灌注樁:由于盾構隧道外輪廓與雨棚鉆孔灌注樁的最小凈距僅為0.84 m，原樁基可能存在施工誤差，盾構通過時的掘進線路也可能出現(xiàn)偏差，隧道施工過程中一旦出現(xiàn)盾構機碰撞樁基的事故，將可能造成樁基破壞，產生嚴重后果。

3 利用數(shù)值模擬進行風險分析

3.1 三維有限元模型的建立

為確定站臺無柱雨棚的樁基在地鐵盾構下穿鐵路車站施工過程中的風險程度，選擇受影響最大的樁基，利用有限元軟件 Geotechnical and Tunnel Analysis System(GTS)建立三維模型進行分析。模型沿地鐵隧道縱向(Y 軸)取36 m，深度向(Z 軸)取隧道底面以下40 m，橫向(X 軸)取隧道中心線外30 m。根據(jù)昆明地區(qū)盾構施工經驗，模型寬度能夠滿足沉降槽要求。

土體及隧道采用四面體單元;管片和盾構機盾殼采用板單元;樁基采用樁單元，通過接觸界面與土體相連接。對隧道、樁基及其周邊圍巖體采用了細密單元，往外逐步增大，如圖3所示。

盾構推進采用剛度遷移法［9-11］，每個開挖步為2.40 m，先進行盾構隧道左線的施工，通過昆明火車站后再進行右線施工。由于本計算主要考慮盾構推進過程中雨棚樁基的變形情況，模型忽略盾構機與周圍土體之間的摩擦作用及盾構機推進過程中的千斤頂壓力。此外，計算模型假定每根雨棚樁基獨立承擔盾構施工所導致的變形。

土體本構模型采用Drucker-Prager 準則。根據(jù)有關詳細勘測報告，土體力學參數(shù)取值如表1所示。

圖3 三維模型計算網格

表1 土層力學參數(shù)表

計算模型采用位移邊界條件，側面限制水平位移，底部限制豎直位移，模型上表面取為自由邊界。

3.2 計算結果分析

盾構隧道左線及雙線貫通后，站臺無柱雨棚的樁基所在斷面的豎向位移等值線如圖4所示?？梢姡罔F隧道施工導致地層形成明顯的沉降槽，沿著新建地鐵隧道近似對稱分布，與基本規(guī)律吻合。因此，下文將利用數(shù)值結果，對站臺無柱雨棚樁基的整體沉降、差異沉降及側向變形進行分析。

分別選取左、右樁基承臺頂部的1 個節(jié)點，描繪其隨著地鐵隧道盾構推進過程的沉降變化趨勢(如圖5所示)。

圖4 樁基所在斷面豎向變形等值線

圖5 盾構推進時樁基承臺頂部沉降時程曲線

左線隧道推進過程中，左、右樁基均發(fā)生沉降且數(shù)值逐漸增大。其中，左樁基最大沉降值達到8.86 mm;右樁基由于距離左線隧道較遠，受到左線隧道推進的影響小，最大沉降值為6.12 mm。

在右線隧道的推進過程中，左樁基的豎向沉降緩慢增加并基本趨于穩(wěn)定，最終沉降量為10.58 mm;右樁基豎向沉降量則增加明顯，達到13.66 mm。

假設除數(shù)值模型中分析的最危險樁基外，其它位置的樁基均不發(fā)生沉降，則可以認為兩相鄰雨棚樁基的最大差異沉降為13.66 mm。

盾構隧道左線及雙線貫通后，左樁基和右樁基的側向變形隨樁深的變化曲線如圖6所示。圖6中，水平位移的正負與數(shù)值模型的X 軸一致，即正位移表示由左線隧道指向右線隧道方向，負位移則相反。盾構隧道與樁基的位置關系參見圖2 和圖3。

圖6 樁基側向變形隨樁深分布曲線圖

由圖6 可知，左右樁基的水平位移均在盾構隧道豎向所在位置處達到最大值。左線盾構推進對左樁基影響較大，最大側向變形為5.89 mm。右線盾構推進后，左樁基側向變形出現(xiàn)小幅度增加，疊加后的最大值為8.27 mm。右樁基側向變形變化明顯，由-2.69 mm 變化至 10.82 mm。

3.3 變形容許值的確定

目前，地鐵盾構隧道施工對相鄰建(構)筑物產生影響的位移限值尚沒有明確的規(guī)定。本研究依據(jù)《北京市軌道交通工程建設安全風險技術管理體系》，并參考昆明、上海、廣州等地的工程實踐，擬定變形控制標準如表2所示。

表2 建(構)筑物變形容許值

昆明火車站是我國西南地區(qū)最大的火車站，若站臺無柱雨棚樁基產生過大的變形將直接危及鐵路行車安全，因此，對其風險分析采用表1 中重要性等級為Ⅰ級的變形控制指標。

3.4 盾構隧道下穿昆明火車站施工的樁基風險分析

各風險事件的風險等級標準依據(jù)其發(fā)生的概率和后果等級來確定［12］，如表3所示。風險接受準則如表4所示。

表3 風險等級標準

表4 風險接受準則

結合數(shù)值模擬結果，盾構隧道下穿昆明火車站過程中，站臺無柱雨棚的樁基最大沉降為13.66 mm，雖未超過15 mm，但比較接近，該事件可能發(fā)生，故其概率等級評定為4 級。樁間的最大差異沉降為13.66 mm，遠大于表2 中5 mm 的容許值，雖然實際上各樁基均有所沉降，其最大值不一定達到計算極限值，但差異沉降超容許值的可能性很大，故其概率等級評定為5 級。右樁基水平位移的最大值為10.82 mm，略微超過了表2 中10 mm，故其概率等級評定為4 級。鑒于目前盾構設計、制造、施工技術的日趨完善，盾構穿越粉砂層時出現(xiàn)較大的漏水漏沙事故為偶然現(xiàn)象，故其概率等級評定為3 級。同時，盾構機在推進過程中撞上樁基也不太可能出現(xiàn)，故其概率等級評定為2 級。

由于昆明火車站的重要性，無論樁基發(fā)生何種超限值的變形，均可能危及行車安全而造成重大影響，因此以上風險事件的后果等級均評定為4 級(很嚴重)。由此可得盾構隧道下穿昆明火車站站臺無柱雨棚的初始風險等級如表5所示。

表5 初始風險等級表

4 降低風險的措施及相關分析

根據(jù)風險評估結果，結合現(xiàn)有盾構隧道施工經驗，規(guī)避風險的主要技術措施包括:

1)優(yōu)化盾構掘進參數(shù):在盾構推進過程中，通過設定推進速度、調整排水量等，盡量做到土倉壓力與地壓力的平衡，以減少對地層的擾動;要盡快在脫出盾構后的襯砌背面環(huán)形建筑空隙中充填足量的漿液材料;在盾構后再向襯砌背面進行二次注漿或多次注漿，以彌補同步注漿的不足，減小地層損失。

2)提高管片強度，增設注漿孔:由于昆明火車站雨棚樁基周圍地層不存在注漿加固條件，而且地鐵隧道與樁基的水平距離很小，因此，在優(yōu)化掘進參數(shù)的同時，應加強盾構機管片的強度;并在盾構通過過程中在靠近樁基的盾構機側向增設注漿孔，以便對樁基側向進行加固，最大限度地減少盾構施工對樁基所造成的影響。

3)土體改良:盾構推進過程中通過加泥漿和泡沫的方法進行土體改良。根據(jù)出土的情況，適當?shù)丶哟竽酀{的濃度、數(shù)量和一定量的泡沫，以較好地改善土體的流塑性，使得盾構前方土壓保持穩(wěn)定，以控制地面的隆陷。

對采取措施后的盾構隧道下穿昆明火車站施工時的無柱雨棚樁基進行有限元分析;并根據(jù)隧道的埋深、數(shù)值模型在掌子面施加0.18 MPa 的前倉壓力，管片混凝土強度由C45 提高到C50，同時在隧道周邊形成厚1 m 的注漿層等條件，用彈性材料模擬?，F(xiàn)以地鐵隧道雙線貫通時左、右樁基的側向變形為例，將采取降風險措施前后的計算結果對比繪于圖7(水平位移正負號同圖6)，其余計算結果列于表6。

圖7 采取降風險措施前后樁基的側向變形比較圖

表6 采取降風險措施后地鐵隧道雙線貫通時的計算結果 mm

圖7 及表6 均說明了以上降風險技術措施能夠有效地控制樁基各項變形，且計算結果均在變形容許范圍內。因此，再付諸于以下施工安全措施，則可使風險降低到可以接受的水平。

1)加強監(jiān)測，實現(xiàn)信息化施工:在盾構隧道推進過程中，對站臺無柱雨棚的樁基變形進行監(jiān)控量測，并且將監(jiān)控量測結果用于反饋、指導盾構施工，以確保盾構的順利通過。

2)盾構通過昆明火車站前進行試驗:由于盾構施工對站臺無柱雨棚樁基的影響，在盾構隧道通過昆明火車站前先進行試驗，調整盾構參數(shù)，確保盾構機處于最佳狀態(tài)，并且在盾構隧道下穿昆明火車站過程中不停機。

3)盾構通過前對站臺無柱雨棚的樁基進行全面排查:在盾構隧道通過前，對站臺無柱雨棚的實際分布情況進行全面排查，同時在掘進過程中加強觀測，確保盾構機不會碰撞站臺無柱雨棚的樁基。

4)制定施工應急預案:在盾構隧道通過昆明火車站雨棚前，施工單位應制定應急機制，做出詳細的應急預案;在盾構隧道下穿施工時應保證人員、措施、物資到位，能在任何險情出現(xiàn)的第一時間做出有效反應，確保不發(fā)生影響昆明火車站正常運營的事故。

5 結語

1)由模擬計算可知，在盾構隧道下穿昆明火車站站臺無柱雨棚期間，由于地層的擾動，雨棚的樁基將會產生整體沉降、差異沉降及側向變形。其中，最大差異沉降及側向變形均超過容許值。

2)事件的風險等級依據(jù)其發(fā)生的概率等級和后果等級綜合評定。研究結果表明，雨棚樁基的整體沉降、樁間的差異沉降及樁基側向變形風險等級為“極高”，為此設計、施工單位應采取措施，將風險降低到可接受的水平。

3)在盾構下穿火車站的施工期間，需要綜合采用優(yōu)化盾構參數(shù)、土體改良等技術措施，以及加強監(jiān)控量測、盾構通過前進行試驗等施工安全措施。目前，盾構隧道已順利通過昆明火車站，現(xiàn)場監(jiān)控量測結果與模擬計算吻合，說明了本分析方法的正確性和工程適用性。

4)本文將常規(guī)的風險評估方法與數(shù)值模擬結合起來，對盾構隧道下穿火車站施工時站臺無柱雨棚樁基的施工風險進行綜合分析，方法簡單易行，分析結果能滿足工程需要，具有進一步推廣應用的價值。

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