盾構(gòu)隧道下穿既有車站變形控制研究

朱正國(guó) 陳信宇 陳自飛 李 本

(石家莊鐵道大學(xué)， 石家莊 050043)

隨著城市地鐵軌道路線的新建與運(yùn)營(yíng)，出現(xiàn)了很多上穿或下穿既有路線建筑物的工程，產(chǎn)生新建與既有鐵路的相互交錯(cuò)關(guān)系，必然會(huì)遇到新建地鐵隧道近距穿越既有線路或既有車站、新建車站近距穿越既有線路或既有地鐵車站以及平面交叉穿越或鄰近側(cè)穿等復(fù)雜工況[1]，同時(shí)就會(huì)出現(xiàn)對(duì)既有建筑物、市政管線及地面附屬設(shè)施產(chǎn)生沉降塌陷破壞等一系列環(huán)境問題尤其，新建盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物車站主體結(jié)構(gòu)影響風(fēng)險(xiǎn)度高，微小的土體擾動(dòng)將會(huì)對(duì)既有運(yùn)營(yíng)車站產(chǎn)生較大影響。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形及對(duì)既有建筑物的影響領(lǐng)域取得了較多的研究成果[2-13]，但由于隧道開挖土層介質(zhì)的復(fù)雜性以及研究手段的有限性，特別是針對(duì)粉細(xì)砂地質(zhì)和施工環(huán)境的特殊性，仍有許多問題需要研究。

因此，本文以某地鐵下穿既有車站工程為研究背景，采取理論研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式分析下穿既有車站變形機(jī)理及開展變形控制研究，在地下工程近接施工過程中采取合適的施工技術(shù)和輔助工法，從而在設(shè)計(jì)施工中有效地預(yù)測(cè)和避免塌陷變形的發(fā)生，將對(duì)既有建筑物的影響降到最低，確保施工安全進(jìn)行。

1 盾構(gòu)隧道下穿既有車站數(shù)值模擬研究

1.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

為減少邊界約束效應(yīng)，計(jì)算范圍按左右邊界距隧道中心線距離的3～5倍洞徑考慮，底部邊界距隧道底部的距離按3～5倍盾構(gòu)直徑考慮，指定區(qū)間盾構(gòu)掌子面前進(jìn)方向?yàn)閅軸正向，沿地層垂直向上為Z軸正向，隧道橫斷面向右方向?yàn)閄軸正向，即整個(gè)模型在X、Y、Z3個(gè)方向集合尺寸為63 m×60 m×49.5 m(盾構(gòu)隧道地層埋深21.5 m，管片拱頂距車站底板4.05 m)。三維計(jì)算模型及局部模型，如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算模型及局部模型圖

土層視為摩爾-庫侖理想彈塑性材料。既有車站結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)管片和盾殼均視為彈性材料且采用實(shí)體單元，板凳樁采用樁單元。支護(hù)結(jié)構(gòu)均視為彈性材料。初期支護(hù)采用殼單元，二次襯砌采用實(shí)體單元。圍巖物理力學(xué)參數(shù)參照地質(zhì)勘察資料和TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]選取，板凳樁、車站結(jié)構(gòu)和支護(hù)的物理力學(xué)指標(biāo)，如表1所示。

表1 板凳樁、車站結(jié)構(gòu)及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)表

在目標(biāo)工作面處設(shè)置了周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)，底板和盾構(gòu)管片的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在開挖模型的中心斷面(y=30 m)位置上，其中車站上行線、中心線和下行線監(jiān)測(cè)點(diǎn)各分為左右2個(gè)，在底板位置上y=30 m分別與x=-7.5 m和x=7.5 m的交點(diǎn)位置處。車站上行線在橫斷面y=37.1 m與z=33.1 m交線處，車站中心線在橫斷面y=30 m與z=33.1 m交線處，車站下行線在橫斷面y=22.9 m與z=33.1 m交線處。

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算假定

(1)假定土體沿地表自上而下分布的7層巖體都是水平均質(zhì)的，各地層初始地應(yīng)力只存在自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力。

(2)盾構(gòu)開挖步長(zhǎng)采用1.2 m寬度的管片環(huán)來模擬，管片襯砌采用線彈性材料的實(shí)體單元來模擬，忽略管片襯砌之間的橫向和縱向連接。

(3)盾構(gòu)隧道開挖去的土層材料采取null模型模擬，被鈍化的空單元應(yīng)力為零，沒有豎向重力，同時(shí)空單元也可以被激活為盾構(gòu)管片和盾殼襯砌注漿來控制圍巖變形。

(4)盾尾注漿對(duì)管片與土體的空隙模擬采用同步和二次注漿，在模擬注漿時(shí)本文采取與管片處于同圓心位置的等效均質(zhì)襯砌注漿厚度層來替代。

(5)由于該工程地下水位較深，在30 m以下，為簡(jiǎn)化模型計(jì)算開挖過程中不考慮地下水引起的滲流作用，圍巖變形與開挖步應(yīng)力釋放有關(guān)，與時(shí)間效應(yīng)無關(guān)，從而忽略土體的固結(jié)和蠕變作用。

1.3 車站底板、結(jié)構(gòu)沉降隨開挖順序變化規(guī)律

1.3.1 車站底板沉降隨開挖順序變化規(guī)律

在正常施工狀況下，盾構(gòu)各施工階段對(duì)車站的變形影響不同。車站底板中心線沉降槽分析曲線，如圖2所示。各施工階段車站底板結(jié)構(gòu)中心線左右2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向累計(jì)沉降值情況分析，如表2所示。

圖2 正常施工各階段車站底板中線沉降曲線

表2 各施工階段底板中心線路左右2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向累計(jì)沉降情況表

施工階段左監(jiān)測(cè)點(diǎn)右監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降/mm沉降增量/mm占最終值比/%累計(jì)沉降/mm沉降增量/mm占最終值比/%左盾構(gòu)至車站0.440.445.950.310.314.14左盾構(gòu)至中部2.70 2.2630.58 0.750.445.88左盾構(gòu)離車站5.202.5033.831.310.567.49左盾構(gòu)貫通5.690.496.631.610.304.01右盾構(gòu)至車站5.990.30 4.062.020.415.48右盾構(gòu)至中部6.47 0.48 6.504.362.3431.28 右盾構(gòu)離車站7.050.58 7.856.982.62 35.03雙線盾構(gòu)貫通7.390.344.607.480.506.68

由圖2和表2可知，隨著開挖，車站底板結(jié)構(gòu)中心線的沉降最大值分布在盾構(gòu)開挖中心線附近，沿中心線向左右兩側(cè)依次呈減小的趨勢(shì)。施工結(jié)束后，其底板的最大沉降值超出車站主體結(jié)構(gòu)沉降標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于車站左監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在盾構(gòu)機(jī)從剛到車站時(shí)至模型中部這個(gè)區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生沉降增量為2.26 mm，累計(jì)沉降值為2.70 mm；自模型中部到剛離開車站以后各階段累計(jì)沉降值均超出3 mm沉降標(biāo)準(zhǔn)值。

綜上所述，在正常施工下盾構(gòu)下穿車站的變形沉降量不滿足沉降標(biāo)準(zhǔn)，需采取相應(yīng)的加固措施來保障盾構(gòu)施工順序的正常開挖推進(jìn)和車站主體結(jié)構(gòu)的安全。

1.3.2 車站結(jié)構(gòu)豎向沉降隨開挖順序變化規(guī)律

在正常施工下，盾構(gòu)雙線貫通時(shí)車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，如圖3所示。各施工階段車站結(jié)構(gòu)豎向累計(jì)沉降值情況分析，如表3所示。

圖3 雙線盾構(gòu)貫通時(shí)車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

施工階段豎向沉降最大值/mm沉降增量/mm占最終值比/%左盾構(gòu)剛至車站1.681.6822.22左盾構(gòu)至模型中部4.23 2.5533.73左盾構(gòu)剛離車站5.251.0213.49左盾構(gòu)貫通5.690.445.82右盾構(gòu)剛至車站6.020.33 4.37右盾構(gòu)至模型中部6.780.7610.05右盾構(gòu)剛離車站7.22 0.445.82雙線盾構(gòu)全部貫通7.560.344.50

由圖3和表3可知，隨著施工順序的進(jìn)行，車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移值依次增大，最大值在開挖盾構(gòu)斷面的正上方處。施工結(jié)束后，在開挖斷面正上的柱子沉降值最大，沿車站左右兩側(cè)柱子沉降值呈遞減的趨勢(shì)。盾構(gòu)在到達(dá)模型中部階段及以后各階段累計(jì)沉降值均超出3 mm沉降標(biāo)準(zhǔn)值。在下穿段區(qū)域內(nèi)盾構(gòu)施工對(duì)車站影響比較大，需采取加固方案來滿足車站主體結(jié)構(gòu)的變形要求。

1.4 盾構(gòu)下穿車站變形控制方案優(yōu)化分析

1.4.1 車站底板結(jié)構(gòu)沉降曲線分析

為將車站主體結(jié)構(gòu)位移值控制在3 mm的沉降標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，本節(jié)提出4種加固措施，通過數(shù)值軟件模擬對(duì)比車站結(jié)構(gòu)沉降和下穿段土體分析，選出最優(yōu)控制方案措施。左右雙線盾構(gòu)隧道全部貫通后，不同加固措施下車站結(jié)構(gòu)的車站中心線沉降曲線，如圖4所示。施工結(jié)束后，4種加固措施6個(gè)底板監(jiān)控點(diǎn)最大沉降值對(duì)比分析，如表4所示。

圖4 各加固措施車站底板中心線的沉降曲線

注：差值百分比=(加固最值-無加固最值)/無加固最值，正值為增幅，負(fù)值為減幅

由圖4和表4可知， 雙線盾構(gòu)全部貫通后，車站底板中心線沉降曲線值最小為樁+袖閥管注漿加固，最大值都是在開挖盾構(gòu)隧道中心線的正上方。通過上行線左監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各加固方案沉降值與正常施工對(duì)比分析，只有樁+袖閥管注漿方案滿足底板結(jié)構(gòu)限制在3 mm以下的標(biāo)準(zhǔn)要求，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)與之類似。

綜上所述，在采取樁+袖閥管注漿方案下能夠滿足車站結(jié)構(gòu)變形限制位移3 mm以下的標(biāo)準(zhǔn)，特別是袖閥管加固技術(shù)在實(shí)際工程中能動(dòng)態(tài)地限制底板的位移值。

1.4.2 其余結(jié)構(gòu)控制變形方案優(yōu)化分析

同理，對(duì)比5種施工方案，進(jìn)行車站主體結(jié)構(gòu)豎向沉降分析。得出主要結(jié)論：盾構(gòu)開挖在正常施工情況下，車站的變形最大累計(jì)沉降值達(dá)到7.56 mm，不滿足車站主體結(jié)構(gòu)位移值必須控制在3 mm的沉降標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的要求，在車站正下方時(shí)仍需要采取相應(yīng)的加固措施。從車站主體結(jié)構(gòu)方面對(duì)比分析各加固措施方案，樁+袖閥管注漿加固方案的最大結(jié)構(gòu)沉降值為2.80 mm，控制變形最為明顯。能夠滿足車站主體結(jié)構(gòu)和開挖周圍土體各方面的標(biāo)準(zhǔn)值要求，且符合工程設(shè)計(jì)圖紙實(shí)際情況。

2 盾構(gòu)隧道兩側(cè)板凳樁設(shè)計(jì)合理性分析

2.1 計(jì)算工況

本章主要從樁體長(zhǎng)度、間距和直徑三方面分析設(shè)計(jì)方案的合理性，通過對(duì)比分析車站結(jié)構(gòu)變形和地表沉降，找到設(shè)計(jì)合理范圍值。具體方案如下：

方案一：設(shè)定樁端至拱底處、距離拱底以下3 m、4 m、5 m、6 m、7 m和8 m 7種工況。

方案二：設(shè)定樁間距為1 m、1.6 m、2.2 m和 2.8 m 4種工況。

方案三：設(shè)定樁直徑為0.8 m、1 m和1.2 m 3種工況。

計(jì)算模型和計(jì)算條件同前。

2.2 不同樁長(zhǎng)模擬分析

2.2.1 車站底板沉降曲線和結(jié)構(gòu)豎向位移分析

左右雙線盾構(gòu)隧道全部貫通后，不同樁體長(zhǎng)度下車站結(jié)構(gòu)的底板中心線沉降曲線，如圖5所示。施工結(jié)束后不同樁體長(zhǎng)度車站各部位的最大豎向沉降值與樁端至拱底處方案的差別對(duì)比分析，如表5所示。

圖5 不同樁長(zhǎng)雙線盾構(gòu)貫通后車站底板中心線的沉降曲線

表5 不同樁長(zhǎng)雙線盾構(gòu)貫通后車站各部位豎向沉降最大值對(duì)比表

不同樁長(zhǎng)車站各部位最大豎向沉降值/mm上行線中心線下行線主體結(jié)構(gòu)差值比/%至拱底處4.093.994.12 4.21 -距離拱底下3 m3.583.403.593.75-10.93距離拱底下4 m3.333.16 3.343.54 -15.91距離拱底下5 m2.742.522.732.97-29.45距離拱底下6 m2.552.28 2.562.80-33.49距離拱底下7 m2.482.272.46 2.73-35.15距離拱底下8 m2.45 2.242.422.70-35.87

注：差值百分比=(某樁長(zhǎng)最值-至拱底處最值)/至拱底處最值，正值為增幅，負(fù)值為減幅

由圖5和表5可知，隨著樁體長(zhǎng)度的增大，車站中心線沉降曲線最大值變小，都是出現(xiàn)在隧道中心線的正上方，由中心線向左右兩側(cè)沉降值減小，距離中心線15 m以外沉降值趨于平緩；底板上行線、中心線、下行線和車站主體結(jié)構(gòu)的沉降值都有呈逐漸減少趨勢(shì)。其中后4種方案都能滿足沉降標(biāo)準(zhǔn)要求，相比至拱底以下7 m方案，至拱底以下8 m方案下車站結(jié)構(gòu)最大沉降值幾乎無變化趨勢(shì)。

綜上所述，在板凳樁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)建議采取樁端至拱底以下5～7 m范圍內(nèi)，其車站結(jié)構(gòu)最大沉降值都能滿足車站結(jié)構(gòu)位移在3 mm以內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 下穿段土體地表沉降分析

取模型中部(Y=30 m)斷面與地表面的交接線為地表監(jiān)測(cè)線。雙線盾構(gòu)全部貫通后，其地表沉降槽分析曲線，如圖6所示。在左線貫通時(shí)和雙線盾構(gòu)貫通后，不同樁長(zhǎng)方案下地表最大沉降值與其樁端至拱底處方案的差別對(duì)比分析，如表6所示。

圖6 不同樁長(zhǎng)雙線盾構(gòu)貫通后地表沉降分析曲線

不同樁長(zhǎng)左線盾構(gòu)貫通后最大值雙線盾構(gòu)貫通后最大值沉降值/mm差值比/%沉降值/mm差值比/%至拱底處2.32 -3.76-距離拱底下3 m1.96-15.593.16-15.92距離拱底下4 m1.81 -21.952.83-24.80距離拱底下5 m1.42-38.58 2.23-40.74距離拱底下6 m1.32-42.96 2.03-46.05距離拱底下7 m1.30-43.91 1.97-47.62距離拱底下8 m1.28-44.751.94-48.45

注：差值百分比=(某樁長(zhǎng)最值-至拱底處最值)/至拱底處最值，正值為增幅，負(fù)值為減幅

由圖6和表6可知，雙線盾構(gòu)貫通后，地表最大豎向位移值出現(xiàn)在雙線盾構(gòu)距離的中心線對(duì)應(yīng)地表正上方處，向左右兩側(cè)逐漸減小，至兩端趨于穩(wěn)定。隨著樁體長(zhǎng)度的增加，各樁長(zhǎng)方案車站上方地表最大沉降值逐漸減小，樁端至拱底以下7 m方案繼續(xù)增加樁長(zhǎng)度1 m，地表沉降量幾乎沒有減少的趨勢(shì)。因此，在板凳樁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該取樁端至拱底以下5～7 m范圍內(nèi)，在板凳樁長(zhǎng)度圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)采用樁端至拱底以下1倍的盾構(gòu)隧道開挖直徑長(zhǎng)度方案與其相符合。

2.3 其余計(jì)算工況模擬分析

同理，其余計(jì)算工況也主要進(jìn)行車站底板沉降曲線和結(jié)構(gòu)豎向位移分析、地表沉降分析等分析，因篇幅關(guān)系只給出各影響因素作用下的主要結(jié)論。

(1)隨著樁體長(zhǎng)度增加，底板上行線、中心線、下行線和車站主體結(jié)構(gòu)的沉降值均呈逐漸減少趨勢(shì)，各樁長(zhǎng)方案車站上方地表最大沉降值逐漸減小，在樁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該取樁端至拱底以下5～7 m范圍內(nèi)。

(2)隨著樁間距增大，車站結(jié)構(gòu)各部位的豎向沉降值都有逐漸增大趨勢(shì)，車站上方地表最大沉降值逐漸增大，板凳樁縱向間距設(shè)計(jì)合理值應(yīng)該在1.6～2.2 m的范圍內(nèi)。

(3)隨著樁直徑增大，車站主體結(jié)構(gòu)的豎向沉降值都有逐漸減小，車站上方地表最大沉降值也逐漸減小，從節(jié)約材料成本和滿足車站結(jié)構(gòu)變形標(biāo)準(zhǔn)要求兩方面考慮，設(shè)計(jì)中選取板凳樁直徑1 m方案。

綜上所述，最終選定板凳樁長(zhǎng)度為樁端底部至拱底以下5～7 m范圍內(nèi)，樁間距在1.6～2.2 m范圍內(nèi)，樁直徑為1 m，為設(shè)計(jì)方案合理的優(yōu)化范圍值。

3 結(jié)論

(1)盾構(gòu)開挖對(duì)車站變形影響區(qū)域主要是分布在盾構(gòu)機(jī)通過車站正下時(shí)和距離車站附近處，在正常施工結(jié)束后，盾構(gòu)隧道下穿車站的變形最大累計(jì)沉降值達(dá)到7.56 mm，不滿足車站主體結(jié)構(gòu)位移沉降標(biāo)準(zhǔn)，需要采取相應(yīng)的加固措施來保障車站主體結(jié)構(gòu)的安全。

(2)在控制車站主體結(jié)構(gòu)變形的4種加固措施中，通過從車站結(jié)構(gòu)變形、地表沉降等方面對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，板凳樁+袖閥管注漿加固效果最為明顯,其方案下的車站結(jié)構(gòu)最大豎向位移值為2.80 mm，滿足3 mm以內(nèi)的沉降標(biāo)準(zhǔn)要求值，其他3種控制措施不能滿足。從而選出板凳樁+袖閥管注漿加固這種最優(yōu)的控制方案技術(shù)措施。

(3)就分析設(shè)計(jì)板凳樁加固方案的合理性而言，在樁長(zhǎng)度、開挖方向縱向樁體樁間距和樁直徑的變化過程中，車站主體結(jié)構(gòu)變形、地表豎向位移值都會(huì)發(fā)生顯著變化。從節(jié)約材料成本和滿足車站結(jié)構(gòu)變形限制位移3 mm以下標(biāo)準(zhǔn)要求兩方面考慮，最終選定板凳樁長(zhǎng)度為樁端底部至拱底以下5～7 m范圍內(nèi)，樁間距在1.6～2.2 m范圍內(nèi)，樁直徑為1 m，為設(shè)計(jì)方案合理的優(yōu)化范圍值，在其合理范圍值內(nèi)的方案中板凳樁的水平位移和截面彎矩都在合理安全范圍內(nèi)。