盾構(gòu)隧道近距離下穿在建城際車站影響分析

龍喜安

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010)

城市軌道交通建設(shè)中盾構(gòu)下穿既有建構(gòu)筑物的風(fēng)險控制與保護(hù)是一項重大研究課題。近年來，國內(nèi)已有學(xué)者對該領(lǐng)域進(jìn)行了一系列研究。譚富圣[1]對地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有橋群樁基礎(chǔ)保護(hù)方案進(jìn)行了研究，通過擴(kuò)大板基礎(chǔ)托換的實施，大幅減少施工期間既有樁基沉降。郭靚[2]對淤泥質(zhì)軟塑地層盾構(gòu)下穿客運專線設(shè)計進(jìn)行了分析，提出“盾構(gòu)注漿加固+隔離樁”的加固方案，并采用橋梁 “頂升法”作為應(yīng)急預(yù)案，預(yù)防盾構(gòu)下穿鐵路施工中的風(fēng)險。歐陽林等[3]對高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固法下盾構(gòu)隧道施工過程的路基沉降影響進(jìn)行了分析。周劍[4]研究了盾構(gòu)掘進(jìn)對 U 形槽和橋梁樁基的影響并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。吳大勇[5]等創(chuàng)新性地將 R/S分析法引入盾構(gòu)下穿機(jī)場過程中的地表變形規(guī)律研究中，為及時調(diào)控施工參數(shù)提供了一定的依據(jù)。阮雷[6]等研究了新建盾構(gòu)隧道施工對既有鐵路路基的影響并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。已有研究多為針對區(qū)間上方建構(gòu)筑物已經(jīng)完工，建構(gòu)筑物已采取了相應(yīng)保護(hù)措施的條件下去分析盾構(gòu)下穿對建構(gòu)筑物的影響。佛山市城市軌道交通三號線大墩站-東平站區(qū)間隧道盾構(gòu)處于始發(fā)施工階段，盾構(gòu)需要近距離下穿廣佛環(huán)城際鐵路東平新城站。經(jīng)溝通協(xié)調(diào)，廣佛城際東平新城站結(jié)構(gòu)底板下方增加了樁基礎(chǔ)，并預(yù)留節(jié)點供盾構(gòu)通過，待東平新城站主體結(jié)構(gòu)頂板封頂后，三號線盾構(gòu)再下穿通過，可大大降低安全風(fēng)險。

但后期由于兩者工期沖突，三號線右線盾構(gòu)下穿車站前，右線盾構(gòu)上方車站中板已實施完成，且第一、二道砼支撐已經(jīng)拆除(未完成頂板封頂)，左線隧道上方車站頂板已完工。因此，需要針對三號線盾構(gòu)區(qū)間施工對廣佛城際既有在建車站的安全影響進(jìn)行評估和分析。通過建立車站主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道為一體的三維整體本構(gòu)耦合模型，從施工步驟的實際狀態(tài)出發(fā)，分步驟進(jìn)行模擬，記錄每一狀態(tài)下連續(xù)墻的變形和內(nèi)力變化。

1 工程背景

廣佛城際東平新城車站位于君蘭路正下方，呈東西向布置，橫跨文化南路、華章路。車站周邊規(guī)劃以商業(yè)、行政辦公、綠化、居住用地為主。車站總長740 m，為地下2層側(cè)式站，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬約51.72 m，基坑深約20.60 m，采用明挖順筑法施工。

佛山市城市軌道交通三號線大墩站-東平站盾構(gòu)區(qū)間下穿廣佛城際東平新城站。經(jīng)與廣佛城際東平新城站溝通協(xié)調(diào)，其結(jié)構(gòu)底板下方增加了樁基礎(chǔ)，并預(yù)留節(jié)點供盾構(gòu)區(qū)間通過。在穿越東平新城站兩側(cè)1 m范圍增加直徑為1.5 m的樁基礎(chǔ)，在盾構(gòu)區(qū)間穿越連續(xù)墻9 m范圍內(nèi)，連續(xù)墻鋼筋采用玻璃纖維筋。右線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離東平新城站底板最小距離為0.851 m，左線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離東平新城站底板最小距離為0.808 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)距離東平新城站樁基礎(chǔ)均約1 m，如圖1所示。

圖1 區(qū)間穿越東平新城站斷面關(guān)系(單位:mm)

該工程位置地質(zhì)條件較為復(fù)雜，屬于深厚軟弱地層。根據(jù)詳勘報告[7]，地質(zhì)縱剖面從上至下土層分別為:(1-1)素填土、(2-1)淤泥質(zhì)土、(2-2)淤泥、(3-1)粉砂、(3-2)細(xì)砂、(3-3)中砂、(3-4)粗砂、(4-1)粉質(zhì)黏土、(7-2)強(qiáng)風(fēng)化巖、(8-2)中風(fēng)化巖層。地下水主要有兩種基本類型，分別為松散層孔隙水和基巖裂隙水，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 三維有限元分析

2.1 分析工況

采用5個施工步驟來進(jìn)行模擬(即分為5個工況)，其中，第1施工步驟模擬基坑開挖前初始狀態(tài)，第2施工步驟模擬右線盾構(gòu)下穿東平新城站前中板已完成的狀態(tài)，第3個施工步驟模擬右線盾構(gòu)下穿東平新城站前拆除第二道支撐狀態(tài)，第4個施工步驟模擬右線盾構(gòu)下穿東平新城站前拆除第一道支撐狀態(tài)，第5個施工步驟模擬右線盾構(gòu)下穿車站狀態(tài)。具體工況如表2所示。

2.2 有限元模型

結(jié)構(gòu)板墻主要參數(shù)如表3所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)空間立體關(guān)系及施工特點，建立的三維有限元計算模型如圖2、圖3。采用實體單元模擬地層，采用板單元模擬車站結(jié)構(gòu)、連續(xù)墻、隧道管片，采用梁單元模擬內(nèi)支撐等。分析采用水土分算的模式，采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則仿真模擬地層。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部為Z方向位移約束，模型前后面為Y方向約束，模型左右面為X方向約束。

表2 分析施工步驟

圖2 初始狀態(tài)有限元模型

圖3 東平新城站與三號線左右線隧道關(guān)系有限元模型

表3 結(jié)構(gòu)板墻主要參數(shù)

3 盾構(gòu)下穿條件下連續(xù)墻三維模擬結(jié)果及其分析

本模型共有十多萬個單元。為節(jié)約計算時間，便于收斂，第1、2計算步驟先計算出右線隧道下穿前的初始應(yīng)力狀態(tài)，并將第1計算步驟的位移清零。第3至第4計算步驟計算拆除混凝土支撐引起連續(xù)墻的位移、內(nèi)力等的變化，第5步施作右線盾構(gòu)下穿車站，根據(jù)該變化值來判斷右線隧道下穿對連續(xù)墻的影響。

3.1 連續(xù)墻變形

圖4～圖6為右線隧道下穿對連續(xù)墻水平位移、豎向位移和總位移云圖。

計算結(jié)果顯示，由于支撐拆除和右線隧道下穿，連續(xù)墻產(chǎn)生了位移，如表4所示。

圖4 右線隧道下穿連續(xù)墻水平位移云圖

圖5 右線隧道下穿連續(xù)墻豎向位移云圖

圖6 右線隧道下穿過程連續(xù)墻總位移云圖

mm

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可知：隨著支撐拆除和右線盾構(gòu)隧道下穿，車站連續(xù)墻的水平位移、豎向位移、總位移有一定變化。連續(xù)墻變形主要來源分為兩部分，一部分是地鐵車站基坑開挖過程中所產(chǎn)生的變形，另一部分為盾構(gòu)穿越連續(xù)墻和剩余混凝土支撐拆除產(chǎn)生的變形，其中地鐵車站基坑開挖過程中所產(chǎn)生的變形占大部分。連續(xù)墻最大水平位移，豎向位移，總位移值分別為27.83 mm、1.367 mm、27.94 mm，均小于30 mm，盾構(gòu)下穿對連續(xù)墻變形影響很小。

3.2 連續(xù)墻內(nèi)力

圖7、圖8為右線隧道下穿時的連續(xù)墻彎矩和剪力云圖，連續(xù)墻彎矩和剪力如表5所示。

圖7 右線隧道下穿連續(xù)墻彎矩云圖

圖8 右線隧道下穿連續(xù)墻剪力云圖

施工步驟彎矩/(kN·m)剪力/kN初始應(yīng)力階段連續(xù)墻未實施連續(xù)墻未實施右線盾構(gòu)下穿車站前階段1403.8467.9拆除第二道混凝土支撐1401.9443.1拆除第一道混凝土支撐1402.0442.7右線盾構(gòu)下穿階段1405.4442.4

由表5可知，右線隧道下穿過程中連續(xù)墻最大彎矩值為1 405.4 kN·m，最大剪力值為467.9 kN。連續(xù)墻內(nèi)力主要來源分為兩部分，一部分是地鐵車站基坑開挖過程中所產(chǎn)生的內(nèi)力，另一部分為盾構(gòu)穿越連續(xù)墻和剩余混凝土支撐拆除產(chǎn)生的內(nèi)力變化；連續(xù)墻配筋滿足要求。

4 隧道下穿過程中實際監(jiān)測結(jié)果

盾構(gòu)施工過程中，應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度、頂推力、同步注漿、二次注漿進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證24 h連續(xù)、平穩(wěn)作業(yè)，及時進(jìn)行同步及二次補(bǔ)充注漿。施工中應(yīng)嚴(yán)格貫徹信息化施工原則，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化及時調(diào)整各項盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)。盾構(gòu)下穿過程中連續(xù)墻未出現(xiàn)裂縫，處于正常受力狀態(tài)，連續(xù)墻實際監(jiān)測最大水平位移，豎向位移，總位移值分別為25.74 mm、1.421 mm、26.83 mm，小于30 mm，處于正常范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)通過建立三維有限元模型，分析盾構(gòu)下穿過程中對車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響， 結(jié)果表明，盾構(gòu)下穿對連續(xù)墻變形影響很小。廣佛城際東平新城站結(jié)構(gòu)底板下方增加了樁基礎(chǔ)，預(yù)留了節(jié)點供盾構(gòu)區(qū)間通過，理論計算中盾構(gòu)下穿不會對廣佛城際東平新城站產(chǎn)生影響。

(2)現(xiàn)場盾構(gòu)施工過程中，通過對盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度、頂推力、同步注漿、二次注漿進(jìn)行嚴(yán)格控制，盾構(gòu)下穿過程中車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形處于30 mm之內(nèi)，未超過規(guī)范容許值，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論值接近，確保了廣佛城際東平站在建過程中盾構(gòu)順利通過。