管幕-結(jié)構(gòu)法下穿站場(chǎng)股道與站臺(tái)沉降特征模擬分析

胡大偉,韓現(xiàn)民,肖明清,鄧朝輝

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043)

引言

管幕-結(jié)構(gòu)法最早可追溯到20世紀(jì)70年代比利時(shí)的“安特衛(wèi)普技術(shù)”，其在修筑地鐵車站(矩形斷面)時(shí)，首次采用了頂管施工、鋼管切割、鋼筋綁扎和混凝土澆筑形成結(jié)構(gòu)體的工法；到20世紀(jì)90年代，Pietro Lunardi教授在修建意大利米蘭的地鐵車站時(shí)提出了“管拱技術(shù)工法”，在隧道縱向設(shè)置了環(huán)向拱肋，起到提高管道整體剛度和主體結(jié)構(gòu)承載能力的作用；20世紀(jì)90年代后期，韓國(guó)根據(jù)上軟下硬的地層特點(diǎn)，在超淺埋情況下提出了拱部采用管幕法(TRCM)和格構(gòu)工法(CAM)進(jìn)行了車站拱部施工，鋼管直徑達(dá)2 000 mm[1]。到2010年沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線新樂(lè)遺址站[2]修建時(shí)，在大陸首次采用了新管幕法(簡(jiǎn)稱NTR工法)施工，在砂層、礫石地層中修建了車站主體結(jié)構(gòu)(拱形結(jié)構(gòu))和風(fēng)道(矩形結(jié)構(gòu))。國(guó)內(nèi)有學(xué)者也稱這種工法為管幕預(yù)筑法(簡(jiǎn)稱PPM工法)[3-4]或管幕-結(jié)構(gòu)法(Pipe Curtain-Structure Method，簡(jiǎn)稱PSM法)[5]。

關(guān)于此類工法，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要是以沈陽(yáng)地鐵[6]和拱北隧道[7-9]為工程背景，在設(shè)計(jì)、施工等方面進(jìn)行了一些研究，如楊仙[10]基于土拱理論對(duì)頂管間距進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，湯華深[11]對(duì)頂管摩阻力理論進(jìn)行了研究，黎永索[3-4，12]對(duì)管幕施工地表沉降規(guī)律和土體大開(kāi)挖時(shí)地鐵車站襯砌結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)行了分析等，對(duì)該工法的施工力學(xué)效應(yīng)、設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)有了一定的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累[13-17]，但仍未形成系統(tǒng)性研究成果。管幕-結(jié)構(gòu)法主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在地表沉降控制方面，故對(duì)鋼管多次頂進(jìn)下地表沉降影響規(guī)律、管幕-結(jié)構(gòu)法復(fù)雜工序中各施工步驟對(duì)地表沉降的影響程度和占比關(guān)系等進(jìn)行全面、詳細(xì)分析顯得尤為重要。

迎澤大街下穿太原火車站地下通道工程采用管幕-結(jié)構(gòu)法施工，為全斷面管幕結(jié)構(gòu)形式，具有斷面大、埋深淺、地表沉降控制要求嚴(yán)格(下穿股道)等特點(diǎn)。管幕-結(jié)構(gòu)法施工時(shí)，由于工藝復(fù)雜，在多次頂進(jìn)擾動(dòng)(20根鋼管)和鋼管切割、焊接、主體混凝土澆筑以及土方大開(kāi)挖等諸多工序作業(yè)影響下，地表沉降控制難度極大。因此需在制定股道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算對(duì)鋼管頂進(jìn)次序優(yōu)化和施工過(guò)程進(jìn)行模擬研究，揭示管幕-結(jié)構(gòu)法施工時(shí)股道與站臺(tái)沉降變化規(guī)律，對(duì)股道沉降預(yù)判、預(yù)警和后續(xù)工程施工有著重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

迎澤大街下穿太原火車站通道工程分車站北線車行通道、南線車行通道，正交下穿太原站站場(chǎng)，南、北通道軸線中心相距346 m。通道工程下穿段采用管幕-結(jié)構(gòu)法施工，南通道管幕段長(zhǎng)105 m，北通道管幕段長(zhǎng)102.5 m。

1.1 地下車行通道設(shè)計(jì)

地下通道設(shè)計(jì)為兩孔單向四車道，管幕結(jié)構(gòu)全寬18.2 m，全高10.5 m，通道橫斷面如圖1所示。每條通道設(shè)置20根φ2 m×20 mm鋼管，其中上、下部各7根，左、右側(cè)邊墻各3根，鋼管凈間距165～265 mm。

圖1 車行通道橫斷面設(shè)計(jì)(單位：mm)

1.2 地下通道與站內(nèi)股道、站臺(tái)位置關(guān)系

地下通道正交下穿10條股道、3座站臺(tái)，其中6條為到發(fā)線、4條為正線，既有軌道鋼軌頂面距北線車行通道頂板3.6 m、距南線車行通道頂板3.5 m；站臺(tái)高度約為1.5 m。

1.3 地層特征

工程涉及到地層有填土層和第四系沖洪積層新黃土，頂管主要穿越黃土地層。其中填土層埋深0～4.6 m、軟塑新黃土層埋深3.5～15.4 m、硬塑新黃土層厚12.5～26.6 m，地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)

2 鋼管頂進(jìn)次序優(yōu)化研究

管幕-結(jié)構(gòu)法施工中鋼管頂進(jìn)是第一個(gè)關(guān)鍵工序，群管頂進(jìn)對(duì)地層擾動(dòng)次數(shù)多，引起的地表沉降大，有必要進(jìn)行頂管施工次序優(yōu)化研究。

2.1 頂管施工模擬影響因素

管幕結(jié)構(gòu)由20根鋼管組成，如圖2所示，采用土壓平衡式頂管機(jī)頂進(jìn)。

圖2 管幕結(jié)構(gòu)及鋼管編號(hào)

頂管頂進(jìn)模擬需要考慮的影響因素有：穩(wěn)定掌子面的土倉(cāng)壓力、鋼管頂進(jìn)過(guò)程中地層與頂管之間的摩擦阻力、地層損失、觸變泥漿層的作用及注漿壓力等。

土倉(cāng)壓力：土壓平衡式頂管機(jī)土倉(cāng)壓力值為在刀盤(pán)中心處土層靜止土壓力值基礎(chǔ)上增加20 kPa。

管周摩擦阻力：考慮到觸變泥漿套作用，管周摩阻可采用《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范(試行-2012)》、余彬泉(1998)[18]和何蓮[19]推薦的公式綜合計(jì)算確定，其中頂部1號(hào)～7號(hào)管管周摩阻力為4 kPa，8號(hào)、20號(hào)管為8 kPa，9號(hào)、19號(hào)管為10 kPa，10號(hào)、16號(hào)管為13 kPa，其余的為15 kPa。

地層損失：地層損失通過(guò)調(diào)整圍巖應(yīng)力釋放率來(lái)實(shí)現(xiàn)，考慮到頂管機(jī)刀盤(pán)與鋼殼尺寸差、管節(jié)與圍巖間隙，按經(jīng)驗(yàn)對(duì)兩處地層取5%的應(yīng)力釋放率，以模擬地層損失。

注漿壓力：計(jì)算中注漿壓力取0.15 MPa。

由于鋼軌、扣件、軌枕與道床之間相互作用關(guān)系復(fù)雜，不作為本文研究?jī)?nèi)容，數(shù)值計(jì)算只模擬了道床，并假定道床與鋼軌一起協(xié)調(diào)變形。

2.2 計(jì)算工況

為了分析鋼管頂進(jìn)次序?qū)Φ乇沓两涤绊懀饕獙?duì)上、下部鋼管的頂進(jìn)順序?qū)Φ来埠驼九_(tái)沉降影響的差異性進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比確定最優(yōu)頂進(jìn)次序。

具體計(jì)算工況如下。

工況1：先頂進(jìn)上排7根鋼管、再中部6根鋼管、最后下排7根鋼管，依次連續(xù)頂進(jìn)。

工況2：先頂進(jìn)下排7根鋼管、再中部6根鋼管、最后上排7根鋼管，依次連續(xù)頂進(jìn)。

工況3：先頂進(jìn)下排7根鋼管、再中部6根鋼管、最后上排7根鋼管，上排間隔頂進(jìn)。

計(jì)算中上部行車活載按規(guī)范采用中-活載計(jì)算模式計(jì)算，對(duì)于Ⅰ級(jí)線路次重型軌道，軸重取220 kN，根據(jù)鐵科院的推薦方法[20]，計(jì)算等效動(dòng)輪載為74.46 kN/m2，施加于道床表面。

2.3 數(shù)值模型和計(jì)算用力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型沿頂管軸線縱向(y軸)取67.2 m，頂管橫截面方向(x軸、鐵路線路方向)113.4 m、豎直方向(z軸)長(zhǎng)度約45 m，如圖3所示；模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向位移約束，上部為自由邊界條件。數(shù)值計(jì)算中選取處于管幕結(jié)構(gòu)中部位置上的6號(hào)股道和3號(hào)站臺(tái)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，它們?cè)谟?jì)算模型中的位置見(jiàn)圖3，其中L1、L2分別為道床與站臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)線。

圖3 三維數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算中地層采用莫爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)關(guān)系，觸變泥漿、道床及鋼管等采用彈性本構(gòu)；地層、泥漿、道床及鋼管等采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 計(jì)算結(jié)果

以工況3為例，群管頂進(jìn)過(guò)程中股道沉降變形計(jì)算結(jié)果如圖4所示。3種工況股道和站臺(tái)最大沉降值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3種工況股道和站臺(tái)最大沉降量 mm

圖4 工況3群管頂進(jìn)股道沉降曲線

由計(jì)算結(jié)果可得：①3種工況下工況3沉降最小，工況1沉降最大，沉降減小約23%，說(shuō)明先頂進(jìn)下部鋼管對(duì)控制地表沉降比較有利；②工況2與工況3沉降值差別較小，說(shuō)明上部鋼管的頂進(jìn)次序?qū)Τ两涤绊懖淮?；③由于站臺(tái)、股道與上部頂管距離不同，頂進(jìn)對(duì)其沉降影響程度也不同，股道沉降略大于站臺(tái)沉降；④工況3下部頂進(jìn)結(jié)束后股道沉降量為1.32 mm、占比31.3%，中部頂進(jìn)結(jié)束后沉降增量為1.03 mm、占比24.5%，上部鋼管頂進(jìn)結(jié)束后沉降增量1.85 mm、占比44.2%，上部頂進(jìn)對(duì)地層擾動(dòng)較大；⑤采用先下后上的頂進(jìn)次序，可減弱多次頂進(jìn)對(duì)上層土體的施工擾動(dòng)，對(duì)減小地層沉降有利。

3 管幕-結(jié)構(gòu)法施工對(duì)股道、站臺(tái)沉降影響

管幕-結(jié)構(gòu)法施工有3個(gè)主要工序，第一是群管頂進(jìn)；第二是鋼管切割、管間土體開(kāi)挖、連接鋼板焊接、設(shè)置支撐柱，形成貫通性空間后鋪設(shè)主體結(jié)構(gòu)鋼筋和澆筑混凝土，一般采用沿縱向分段施工方式，該工程中鋼管切割高度為1.2 m，連接鋼板厚度為20 mm，支撐柱為外徑180 mm、壁厚14 mm的鋼管柱，縱向間距為1.2 m；第三是管幕中間土方大開(kāi)挖。

3.1 鋼管切割、主體結(jié)構(gòu)施作等對(duì)股道、站臺(tái)沉降影響

為提高施工效率，鋼管切割等采用縱向分段、從中間向兩端平行推進(jìn)的方式施工，鋼管沿縱向一次切割長(zhǎng)度約為6 m，每一循環(huán)包括切割、焊接、支撐及主體混凝土施作等，施工完畢后，進(jìn)行下一循環(huán)作業(yè)。

數(shù)值模擬中首先選擇模型中間(股道)下部位置進(jìn)行鋼管切割等施工，而后向兩端同時(shí)平行推進(jìn)，模型中包括7次循環(huán)作業(yè)。單個(gè)循環(huán)分為4個(gè)子工序，即下部7根鋼管切割支撐、中間6根鋼管切割支撐、上部7根鋼管切割支撐和一次性澆筑混凝土。單個(gè)循環(huán)各子工序引起地表(軌道)沉降曲線如圖5所示，各循環(huán)作業(yè)過(guò)程中股道和站臺(tái)沉降曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 鋼管切割、混凝土澆筑過(guò)程中股道沉降曲線

圖7 鋼管切割、混凝土澆筑過(guò)程中站臺(tái)沉降曲線

由計(jì)算結(jié)果可得：①第一個(gè)循環(huán)作業(yè)引起股道沉降增量為1.47 mm，其中下部7根鋼管施工引起的沉降占比為20.4%，中部6根鋼管施工引起的沉降占比為15.0%，上部7根鋼管引起沉降占比為50.3%，混凝土澆筑施工引起的沉降占比為14.3%，上部鋼管切割擾動(dòng)最大；②所有鋼管完成切割支撐及混凝土澆筑后，股道累積最大沉降達(dá)7.67 mm、站臺(tái)累積最大沉降達(dá)6.75 mm；③各循環(huán)作業(yè)與沉降監(jiān)測(cè)面空間位置關(guān)系不同，引起的股道和站臺(tái)沉降增量也不同。

3.2 土方大開(kāi)挖對(duì)股道、站臺(tái)沉降影響

管幕結(jié)構(gòu)中間土方開(kāi)挖采用從兩端向中間同時(shí)施工方式，每次開(kāi)挖進(jìn)尺約4 m，土方開(kāi)挖過(guò)程中股道、站臺(tái)最大沉降量變化如圖8、圖9所示。施工結(jié)束后股道沉降曲線如圖10所示。

圖8 土方開(kāi)挖過(guò)程股道沉降變化曲線

圖9 土方開(kāi)挖過(guò)程站臺(tái)沉降變化曲線

圖10 土方開(kāi)挖結(jié)束后股道沉降曲線

由計(jì)算結(jié)果可得：①土方開(kāi)挖后股道最大沉降為8.9 mm，增量為1.21 mm，股道沉降量小于總體沉降控制標(biāo)準(zhǔn)；②軌道10 m弦最大矢量值為1 mm，滿足軌道前后高差要求；③土方開(kāi)挖后站臺(tái)最大沉降為7.8 mm，增量為1.04 mm，略小于股道沉降變化量；④管幕-結(jié)構(gòu)法施工結(jié)束后，地表橫向沉降曲線類似高斯曲線形態(tài)，沉降影響范圍約為50 m，即W+2Htan 41°范圍，W為結(jié)構(gòu)寬度,H為結(jié)構(gòu)底部埋深。

3.3 管幕-結(jié)構(gòu)法施工過(guò)程中股道、站臺(tái)沉降特征

管幕-結(jié)構(gòu)法整個(gè)施工過(guò)程中股道、站臺(tái)最大沉降量變化如圖11、圖12所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 管幕-結(jié)構(gòu)法施工引起股道、站臺(tái)變形統(tǒng)計(jì)

圖11 管幕-結(jié)構(gòu)法施工股道沉降變化曲線

圖12 管幕-結(jié)構(gòu)法施工站臺(tái)沉降變化曲線

由計(jì)算結(jié)果可知：①管幕-結(jié)構(gòu)法施工過(guò)程中，鋼管頂進(jìn)引起的地表沉降所占比例最大，約為50%；其次為鋼管切割與混凝土澆筑階段，沉降占比約為36%；最小為土方開(kāi)挖，沉降占比約為14%；②管幕-結(jié)構(gòu)法施工時(shí)，要重點(diǎn)控制鋼管多次頂進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)影響，特別是頂進(jìn)鋼管數(shù)量較大時(shí)，應(yīng)尤為引起注意；③鋼管切割、混凝土澆筑引起的沉降比例也相對(duì)較大，應(yīng)采用小切割長(zhǎng)度、即切即支、快速澆筑的施工方式，以減小對(duì)沉降影響；④主體結(jié)構(gòu)施作完畢后，在中間土方周圍形成一個(gè)大剛度的封閉結(jié)構(gòu)，故土方開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較小，可適當(dāng)加大一次開(kāi)挖長(zhǎng)度。

4 既有鐵路軌道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

地下通道施工引起的地表沉降對(duì)既有鐵路影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是可能造成水平(指線路兩股鋼軌頂面的相對(duì)高差)超限；二是可能造成鋼軌前后高差(指沿線路方向的豎向平順性)超限。

根據(jù)隧道施工引起的地表沉降槽規(guī)律，地表橫向變形要比沿隧道軸線方向的變形顯著。當(dāng)既有線路正交于施工隧道軸線時(shí)，既有線路的運(yùn)營(yíng)安全主要受控于軌道的前后高低不平順。

目前關(guān)于線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理依據(jù)主要有2006年的《鐵路線路修理規(guī)則》，考慮到站內(nèi)列車降速因素，按vmax≤120 km/h正線及到發(fā)線(作業(yè)驗(yàn)收)對(duì)應(yīng)的數(shù)值選取，即線路軌道前后高低差用L=10 m弦量測(cè)的最大矢度不應(yīng)超過(guò)4 mm，縱向斜率小于0.08%。

理論上，在線路縱向上鋼軌可以看作無(wú)限長(zhǎng)的柔性結(jié)構(gòu)，與道床、地面一起發(fā)生協(xié)調(diào)變形。因此根據(jù)Peck橫向沉降規(guī)律，地表沉降在2i(i為沉降槽寬度系數(shù))內(nèi)沉降變化最大，且在i點(diǎn)處地表沉降值為0.61Smax。故根據(jù)工程的具體情況，確定由股道前后高低不平順決定的允許沉降計(jì)算公式如下

(1)

式中，[δ]為鐵路股道允許10 m弦量測(cè)的最大矢度值，4 mm；i為沉降槽寬度系數(shù)；L為量測(cè)弦長(zhǎng)。

沉降槽寬度系數(shù)可根據(jù)管幕結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后地表沉降槽曲線(圖10)擬合公式(2)選取。

S(x)=9.0·exp(-x2/(2·i2))

(2)

式中,沉降槽寬度系數(shù)i為10.5 m。

由式(1)計(jì)算所得股道允許最大沉降為21 mm，軌道變形量測(cè)困難時(shí)，可以此作為鄰近地表或道床沉降控制值。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)管幕-結(jié)構(gòu)法下穿火車站場(chǎng)引起股道、站臺(tái)沉降變化規(guī)律的數(shù)值模擬研究，可得如下結(jié)論。

(1)鋼管頂進(jìn)次序?qū)Φ乇沓两盗坑杏绊?，推薦采用先下部、再中部、后上部的群管頂進(jìn)次序。

(2)管幕-結(jié)構(gòu)法3個(gè)主要工序中，鋼管頂進(jìn)引發(fā)的地表沉降最大，約占總變形的50%，鋼管切割與混凝土澆筑引起的變形次之，約為36%，土方開(kāi)挖引起的變形最小，約為14%。

(3)管幕-結(jié)構(gòu)法施工結(jié)束后，股道最大沉降為8.9 m，10 m弦最大矢量值為1 mm，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；站臺(tái)最大沉降為7.8 mm，管幕-結(jié)構(gòu)法施工地表沉降控制優(yōu)勢(shì)明顯。

(4)管幕-結(jié)構(gòu)法施工地表橫向沉降槽主要出現(xiàn)在W+2Htan41°范圍內(nèi)。

(5)根據(jù)管幕結(jié)構(gòu)施工地表橫向沉降曲線特征和股道靜態(tài)幾何尺寸管理規(guī)定，確定股道最大允許沉降量為21 mm。