盾構(gòu)接收對地鐵車站接收端的影響研究

韋曉霞，張英智，趙永軍，阮雷

(中建絲路建設(shè)投資有限公司，西安 710075)

1 引言

盾構(gòu)法施工具備施工速度快、周邊環(huán)境影響小、施工安全等特點(diǎn)，已成為城市地鐵隧道建設(shè)的重要施工方法。盡管盾構(gòu)法施工有諸多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)踐過程中盾構(gòu)接收易發(fā)生事故[1]，是盾構(gòu)施工面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)之一。因此，盾構(gòu)接收端采取何種結(jié)構(gòu)形式以實(shí)現(xiàn)快捷安全接收，成為諸多學(xué)者研究的方向。呂波等[2]通過加密接收井圍護(hù)樁+水平環(huán)梁+玻璃纖維筋等組合方式實(shí)現(xiàn)無內(nèi)襯條件下盾構(gòu)接收；馮啟[3]依托南水北調(diào)隧道工程盾構(gòu)法施工，總結(jié)了豎井采用內(nèi)襯墻+鉆孔灌注樁的盾構(gòu)接收工藝。通過現(xiàn)有文獻(xiàn)可以看到，對接收端結(jié)構(gòu)未完成條件下相關(guān)研究較少。本文以西安地鐵14 號線盾構(gòu)接收施工為依托，采用數(shù)值計(jì)算分析研究了盾構(gòu)接收對接收端結(jié)構(gòu)未完成條件下影響規(guī)律，以期為類似工程提供一定參考。

2 工程概況

西安地鐵14 號線某區(qū)間為2 條單洞單線圓形盾構(gòu)隧道，區(qū)間長度1 043 m，其中設(shè)聯(lián)絡(luò)通道兼雨水泵房1 處，線路埋深10.3～21.09 m，平面一般線間距14～17 m，區(qū)間最大坡度25‰，最小曲線半徑3 000 m，隧道采用預(yù)制混凝土管片拼裝而成，隧道內(nèi)凈空5.4 m，外徑6 m。

該盾構(gòu)區(qū)間由A 車站始發(fā)、B 車站接收，接收端B 車站標(biāo)準(zhǔn)段采用單柱、雙跨的地下2 層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)。由于前期受征拆影響，盾構(gòu)施工臨近接收時(shí)，B 車站接收端端頭區(qū)域（第一段至第四段）4 個(gè)流水段僅完成土方開挖。為保證盾構(gòu)機(jī)盡快順利出洞，消除安全隱患，分別討論在完成接收端端頭加固條件下，僅完成第一段底板結(jié)構(gòu)、底板及中板完成后盾構(gòu)接收的可行性。

3 工程地質(zhì)情況

盾構(gòu)接收端地形較平坦，各層地基土按層序從上而下為：素填土、黃土狀土、中砂、圓礫、卵石、粉質(zhì)黏土、中砂。車站主要穿行于黃土狀土、卵石層、粉質(zhì)黏土。端頭位置水位高度相對于隧道底部以上1 m 左右。

4 數(shù)值模型建立

4.1 數(shù)值模型

計(jì)算采用ANSYS 軟件，計(jì)算模型中包括地層、管片、注漿層、接收端結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等均采用Solid45 單元。土體采用彈塑性本構(gòu)模型，管片等均視為彈性材料。模型尺寸為：縱向長度90 m，高度60 m，模型寬度80 m，計(jì)算模型如圖1 所示。模型前后邊界施加Z 方向約束，左右邊界施加水平約束，模型底部施加豎向位移約束。

圖1 盾構(gòu)隧道接收整體計(jì)算模型

4.2 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地勘資料，地層及管片、主體結(jié)構(gòu)等物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

4.3 盾構(gòu)接收施工模擬

本次計(jì)算考慮到隧道埋深不大、圍巖松散、構(gòu)造應(yīng)力小，故將自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力場，并采用“生死單元”進(jìn)行盾構(gòu)隧道開挖、管片拼裝及注漿的模擬。計(jì)算根據(jù)盾構(gòu)接收端主體結(jié)構(gòu)板施作時(shí)機(jī)的不同分為3 個(gè)工況，分別為：（1）接收端底板結(jié)構(gòu)施工完成后左右線盾構(gòu)分別出洞；（2）接收端底板及中板完成后左右線盾構(gòu)分別出洞；（3）接收端底板、中板及頂板均施工完成后盾構(gòu)出洞。

5 計(jì)算結(jié)果分析

為探究不同工況條件下盾構(gòu)接收對地層及接收端結(jié)構(gòu)的影響，本文分別對比分析3 種工況的地表沉降、端墻及側(cè)墻位移變形。

5.1 地表沉降分析

圖2 為3 種工況條件下盾構(gòu)接收后地表沉降位移云圖。通過圖2a 及圖2c 對比可以看到，盡管接收端底板完成后盾構(gòu)出洞的沉降范圍與正常工況（端頭結(jié)構(gòu)全部完成）相似，但正常工況條件下最大地表沉降僅為7.84 mm，而工況一條件下沉降達(dá)到了12.09 mm，最大沉降量顯著增大。相比較圖2b 及圖2c，中板完成后盾構(gòu)出洞的地表沉降范圍形態(tài)與正常工況基本一致，且最大沉降量僅增大了1.09 mm。表明中板接收完成后盾構(gòu)接收方式對地層擾動影響相對較小。

圖2 地表沉降位移云圖

5.2 接收端主體結(jié)構(gòu)變形分析

從地表沉降數(shù)據(jù)來看，工況一條件下地表沉降增量過大，相比之下中板施作完成盾構(gòu)出洞（工況二）對地表沉降影響更小。因此，進(jìn)一步分析工況二條件下盾構(gòu)出洞對混凝土結(jié)構(gòu)變形影響。通過對比工況二及工況三條件下結(jié)構(gòu)中板位移如圖3a 及圖3b，工況二條件下中板最大沉降值為6 mm，最大水平位移為2.9 mm，與正常情況下盾構(gòu)出洞時(shí)中板位移基本一致。而結(jié)構(gòu)柱水平位移及豎向位移也相差不大，文章中不再贅述。

圖3 結(jié)構(gòu)中板位移云圖

6 盾構(gòu)接收施工控制措施

通過上述數(shù)值分析，最終確定采用先施作底板及中板后，分別進(jìn)行左右線盾構(gòu)出洞施工。實(shí)際盾構(gòu)接收過程中需要加強(qiáng)以下幾點(diǎn)控制措施：

1）控制接收端端頭加固質(zhì)量。盾構(gòu)端頭加固采用地面φ800 mm@600 mm 雙重管旋噴樁加固，加固長度為8 m，加固寬度為盾構(gòu)外徑兩側(cè)3 m、底部3 m、頂部3 m。當(dāng)樁體強(qiáng)度達(dá)到檢測要求時(shí)，根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，隨機(jī)抽取2 根樁每根樁3點(diǎn)進(jìn)行檢測。

2）確保接收端混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度要求。盾構(gòu)接收前提條件需保證中板及側(cè)墻混凝土澆筑后及時(shí)養(yǎng)護(hù)到位，經(jīng)強(qiáng)度檢測合格后才可拆除模板支架，為盾構(gòu)接收提供工作空間。

3）盾構(gòu)接收過程中加強(qiáng)監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)及監(jiān)測頻次。在按照原有監(jiān)測方案進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的同時(shí)，還需在接收端結(jié)構(gòu)（第一流水段）臨空面新增監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，以監(jiān)測盾構(gòu)出洞過程中對接收端結(jié)構(gòu)的水平位移的影響。

7 結(jié)語

隨著盾構(gòu)法的廣泛應(yīng)用，工程建設(shè)者會遇到越來越多的非常規(guī)盾構(gòu)接收方法，因此可根據(jù)實(shí)際施工條件對不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析比選，確定方案后應(yīng)制定嚴(yán)密的施工方案及安全保證措施，確保盾構(gòu)的安全順利接收。