盾構(gòu)隧道下穿鐵路股道及火車站站房的影響分析

盧華喜，王漪璇，周珍偉，汪 雷

（華東交通大學(xué)土木與建筑學(xué)院，江西 南昌330013）

城市交通的迅猛發(fā)展帶動(dòng)地下空間的開發(fā)利用，如今盾構(gòu)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市軌道交通業(yè)中，然而，由于土體結(jié)構(gòu)分散且土顆粒性質(zhì)具有隨機(jī)性，實(shí)際工程中難以把握其受力變形規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土體的變形沉降規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，基本總結(jié)出導(dǎo)致其沉降的因素及沉降規(guī)律。同時(shí)由于土體的變形，勢(shì)必影響到土中基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，需分析出土體與基礎(chǔ)間的相互作用關(guān)系，從而得出盾構(gòu)施工過程中基礎(chǔ)的變形與沉降特點(diǎn)。找出規(guī)律后方可針對(duì)具體情況提出相應(yīng)的加固措施，以確保工程的順利進(jìn)行。

美國學(xué)者R B Peck［1］首次提出“地層損失”的概念認(rèn)為地層損失是導(dǎo)致土體變位的根本原因，在假設(shè)地質(zhì)條件良好、施工設(shè)備完善的情況下，通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)出地表橫向沉降的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)沉降槽寬度即為地層損失體積，并認(rèn)為沉降值符合正態(tài)分布。Toshi Nomoto與Imamura仿照真實(shí)盾構(gòu)情況制造微型盾構(gòu)機(jī)模擬砂性土條件下盾構(gòu)推進(jìn)及盾尾脫出的情況，驗(yàn)證了Peck公式的可靠性，并總結(jié)出在不同埋深以及不同盾尾間隙時(shí)地表的沉降規(guī)律，得出土壓力與盾尾間隙的關(guān)系。Sagaseta［3］對(duì)淺挖隧道引起的地層損失進(jìn)行研究，提出“源匯法”計(jì)算地表變形；我國學(xué)者施成華［4］以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，將土體變形視為隨機(jī)過程，經(jīng)過演算最終以柯莫哥洛夫方程表示出地表沉降量。本文在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)南寧地質(zhì)條件，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，利用有限元的思想建立數(shù)值模型，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程導(dǎo)致的地表沉降及樁基變形進(jìn)行量化分析并總結(jié)其形變規(guī)律。

1 工程概況

南寧軌道交通一號(hào)線上火車站為換乘車站全長(zhǎng)約32.1 km，設(shè)站25座。其中，一號(hào)線衡陽西站-火車站區(qū)間隧道與二號(hào)線友愛站-火車站區(qū)間隧道在華衡小學(xué)操場(chǎng)附近形成斜交，然后四線并行下穿南寧火車站站房及站場(chǎng)鐵路股道。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑Φ5.4 m，外徑Φ6.0 m。管片厚度0.3 m、寬度1.5 m，采用錯(cuò)縫拼裝，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左右轉(zhuǎn)彎環(huán)相組合。盾構(gòu)施工過程中，通過采取加固等輔助措施，使站房和鐵路股道的沉降和變形控制在允許范圍內(nèi)。

1.1 區(qū)間隧道下穿南寧火車站鐵路股道

南寧地鐵1、2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿鐵路股道共14～16條股道，分別為南寧火車站（3座站臺(tái)，10條股軌道：其中6股為類似整體道床的板式道床，其下方為碎石，4股為碎石道床）和南寧鐵路局南寧客車車輛段（4～6股，有兩股軌道分岔，多出兩股道床）。具體下穿情況見圖1。

圖1 1、2號(hào)線區(qū)間隧道下穿火車股道平面圖Fig.1 The plan of shield tunnel of Line 1，2 beneath the rail tracks

1.2 區(qū)間隧道下穿南寧火車站站房

南寧火車站站房修建于1978年，為2 層鋼排架結(jié)構(gòu)，采用Φ300、Φ420 mm 振動(dòng)灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為8.63～11.18 m，樁尖進(jìn)入圓礫層0.8 m，標(biāo)準(zhǔn)柱間距6 m×6 m。區(qū)間隧道與火車站站房的平面關(guān)系詳見圖2。

圖2 1、2號(hào)線區(qū)間隧道下穿站房平面圖Fig.2 The plan of shield tunnel of Line 1，2 beneath the railway station

1.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

結(jié)合本工程地質(zhì)斷面，地層自上而下主要為：①2素填土、②1-2淤泥、淤泥質(zhì)土、②3-2可塑狀黏性土、③1粉土、④1-1粉（細(xì)）砂、⑤1-1圓礫、⑦1-3泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、⑦2-2粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、⑦2-3粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。其中，站場(chǎng)和站房段的區(qū)間隧道全斷面穿越⑤1-1圓礫，隧道頂部有②1-2淤泥和③1粉土。

站址范圍內(nèi)有兩層地下水：第一層地下水主要賦存于雜填土①1、素填土①2中，屬上層滯水，第二層地下水主要賦存于⑤1-1圓礫層中，屬孔隙松散巖類水，水量豐富，具承壓性，與邕江河水有水力聯(lián)系，與朝陽溪無直接的水力聯(lián)系。

2 模型建立

2.1 下穿鐵路股道

本模型采用大型有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)行模擬，建立2D模型，其中巖土采用平面應(yīng)變單元模擬，管片由于為1D線單元，則使用梁?jiǎn)卧M?？紤]了開挖對(duì)土體的影響范圍，取模型中圍巖的寬度為95 m，深度為54 m，以研究特定斷面處在不同施工工況下圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形情況。施工順序?yàn)椋?號(hào)右線→1號(hào)左線→2號(hào)右線→2號(hào)左線。隧道與鐵路股道相對(duì)位置關(guān)系如圖3，通過數(shù)值分析軟件劃分有限元網(wǎng)格如圖4。

圖3 下穿南寧火車站鐵路股道橫斷面圖（單位：m）Fig.3 The cross-section of shield tunnel beneath the rail tracks(Unit:m)

圖4 有限元分析網(wǎng)格圖Fig.4 The grid finite element analysis

各材料計(jì)算參數(shù)如下表：

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)取值表Tab.1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

2.2 下穿火車站站房

對(duì)于下穿火車站站房模型的建立，建立3D模型，土體、基礎(chǔ)采用實(shí)體單元，管片采用板單元。土體遵循Mohr-Colomb 破壞準(zhǔn)則，基礎(chǔ)跟管片為線彈性。模型寬度為95 m、深度為54 m、長(zhǎng)度為80 m。四線并行隧道下穿站房，為了有效分析隧道開挖過程對(duì)站房的影響，按兩者的實(shí)際位置關(guān)系建立三維模型，并將車站站房荷載按每層24 kPa（含人群荷載4.0 kPa）等效到每根立柱上，通過換算得到單個(gè)立柱承受的荷載為864 kN（按標(biāo)準(zhǔn)柱距6 m×6 m考慮）。施工順序?yàn)椋?號(hào)右線→1號(hào)左線→2號(hào)右線→2號(hào)左線，隧道與基礎(chǔ)相對(duì)位置關(guān)系如圖5，采取數(shù)值分析軟件劃分有限元網(wǎng)格圖詳見圖6。

圖5 下穿南寧火車站鐵路股道橫斷面圖（單位：m）Fig.5 The cross-section of shield tunnel beneath the railway station(Unit:m)

圖6 有限元分析網(wǎng)格圖Fig.6 The grid finite element analysis

各材料計(jì)算參數(shù)如下表：

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表Tab.2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 下穿鐵路股道

圖7為隧道開挖完后鋼軌的沉降分布圖，從圖中可見：

1）地層未加固時(shí)：盾構(gòu)直接掘進(jìn)后，單洞沉降槽寬度約80 m，股道的最大沉降值達(dá)25.9 mm。

2）僅采取洞內(nèi)加固后（通過已拼裝好管片注漿），單洞沉降槽寬度約35 m，股道最大沉降約9.8 mm，相鄰的鋼軌沉降差4.2 mm。

3）采取地面加固+洞內(nèi)注漿：?jiǎn)味闯两挡蹖挾燃s20 m，股道最大沉降約7.0 mm，相鄰的鋼軌沉降差3.8 mm。

由上可知，通過加固能顯著抑制地層的變形和控制地層沉降。

圖7 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)后股道沉降Fig.7 The settlement of rail tracks after shield tunneling

3.2 下穿火車站站房

考慮洞內(nèi)加固措施后，通過數(shù)值分析計(jì)算，圖8～圖10給出了管片內(nèi)力及應(yīng)力、站房基礎(chǔ)及地表沉降圖，從圖中可見：

1）各施工階段，管片應(yīng)力相對(duì)較小，最大壓應(yīng)力約2.0 MPa，最大拉應(yīng)力約1.0 MPa；彎矩、軸力分布受施工先后的影響明顯，呈非對(duì)稱分布，先開挖隧道管片受力明顯大于后施工隧道的管片受力。

2）站房樁基礎(chǔ)沉降主要發(fā)生在隧道頂部位置，且隨著各洞室的開挖逐步增大；至施工完畢，站房樁基最大沉降約19.8 mm，最大地面沉降值為22.3 m，其中影響區(qū)范圍內(nèi)的最大樁基沉降差約4.5 mm，最大相鄰樁基沉降差約2.6 mm，沉降差＜12 mm（根據(jù)GB50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)0.002 l=0.002×6 000=12 mm）。

表3 各部分開挖沉降匯總表Tab.3 All parts of the excavation subsidence mm

綜上所述，區(qū)間隧道在下穿南寧火車站站房時(shí)，盾構(gòu)管片受力并不大，通過加強(qiáng)配筋能夠滿足結(jié)構(gòu)安全的要求；站房地面和基礎(chǔ)最大沉降值分別為22.3 mm和19.8 mm，可見地鐵施工波及地層的影響不大，能夠滿足站房沉降控制要求。

圖8 各部分開挖完后管片彎矩（左）及軸力（右）圖Fig.8 Segment bending moment（left）and axial force（right）after the excavation

圖9 各部分開挖完后管片應(yīng)力圖Fig.9 Segment stress after the excavation

圖10 各部分開挖完后站房基礎(chǔ)及地面沉降圖Fig.1 0 The settlement of foundation of railway station and surface after the excavation

4 加固方案

通過建立有限元模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果并針對(duì)本工程具體情況，對(duì)于隧道下穿鐵路股道時(shí)，從安全角度考慮，加固方案采用地面袖閥管注漿加固+洞內(nèi)加固相結(jié)合的形式；下穿火車站站房時(shí)，由于地面加固條件受限，加固方案采用洞內(nèi)加固。具體加固措施為：

1）地面袖閥管注漿加固：袖閥管呈梅花形布置，間距1 m，豎直方向加固范圍為隧道上方至6 m，下方至2 m，水平方向加固范圍即為沉降槽橫向影響范圍。外側(cè)的3排袖閥管注入水泥、水玻璃混合漿，內(nèi)側(cè)中間區(qū)域僅注入水泥漿。漿液擴(kuò)散半徑不小于0.75 m，注漿壓力0.5～3.5 MPa，注漿壓力逐步提升，達(dá)到注漿壓力后穩(wěn)壓10 min。地面注漿前，需與鐵路主管部分協(xié)調(diào)同意。

2）洞內(nèi)加固：在管片處增設(shè)Φ32注漿孔對(duì)管片外的地層加強(qiáng)加固，具體措施為：上部封頂快設(shè)置一個(gè)注漿孔，其余五片管片每片上設(shè)置3個(gè)注漿孔，注漿孔沿管片中線布置，環(huán)向間距22.5°。孔內(nèi)漿液使用水泥、水玻璃混合漿。為保證注漿質(zhì)量，切不可一次注入大量漿液，以防止?jié){液不均勻產(chǎn)生空隙。

5 結(jié)論

通過模擬隧道下穿鐵路股道及火車站站房的施工過程及加固方案，觀察未加固和加固情況下隧道上方環(huán)境的變化，得出以下結(jié)論：

1）區(qū)間隧道在下穿鐵路股道時(shí)，采用對(duì)開挖處地層進(jìn)行加固和洞內(nèi)加固的方式可以顯著縮小單洞沉降槽的范圍，抑制地層的變形。在覆土厚度約20 m、開挖直徑為6 m的情況下最多可使沉降槽縮短60 m左右。說明沉降槽的寬度隨著土層剛度及洞室剛度的增加而減小。

2）通過加固地層及管片外土體可顯著控制地表沉降，緩和沉降差。說明地表變形程度隨土層剛度及洞室剛度的增加而減小。

3）區(qū)間隧道在下穿火車站站房時(shí)，盾構(gòu)管片受力并不大，通過加強(qiáng)配筋能夠滿足結(jié)構(gòu)安全的要求，且先后開挖明顯影響了管片內(nèi)力的大小，并使內(nèi)力呈不對(duì)稱分布。

4）當(dāng)設(shè)置隧道距基礎(chǔ)底端有一定距離，通過加固后即可有效地控制基礎(chǔ)及地表變形。地層剛度的增加也使得樁基的沉降差明顯縮小，從而保障了隧道上方建筑的安全。

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