地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵車站變形控制標(biāo)準(zhǔn)探討

張運濤

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

大規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)化城市軌道交通發(fā)展導(dǎo)致新老結(jié)構(gòu)的交疊穿插，出現(xiàn)多條線路相互交錯情況；在換乘節(jié)點不斷增加的同時，出現(xiàn)新建隧道近距離下穿既有車站的情況更為普遍。鑒于此類問題的普遍性及特殊性，在隧道近距離下穿已運營車站時，地基不均勻沉降會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加內(nèi)力，影響地鐵運營安全及周邊環(huán)境安全[1-2]，甚至直接影響結(jié)構(gòu)的受力及耐久性，進而對車站結(jié)構(gòu)使用壽命造成影響。

陶連金等[3]通過數(shù)值模擬對大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有車站變形進行了分析，得出了盾構(gòu)開挖引起的結(jié)構(gòu)變形情況，對結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進行了評估；李圍等[4]以南京地鐵1號線下穿玄武湖公路隧道為例，采用數(shù)值模擬及室內(nèi)相似模型試驗對盾構(gòu)穿越施工進行了研究分析；崔玉龍[5]采用資料調(diào)研、數(shù)值分析、現(xiàn)場試驗等方法，對盾構(gòu)隧道穿越工程加固措施、掘進參數(shù)及隧道變形進行了研究；朱正國，房居旺等[6-7]通過有限元模擬，分別從車站結(jié)構(gòu)變形、地層變形等方面，提出了切實可行的既有車站的保護加固方案；許有俊等[8]采用有限元模擬結(jié)合實測數(shù)據(jù)，分析盾構(gòu)穿越施工對既有車站的變形影響，驗證了預(yù)埋樁基可有效控制既有站的變形，并對樁基方案進行了優(yōu)化設(shè)計；姚曉明等[9]以成都地鐵下穿已運營線路為背景，探討了盾構(gòu)施工工法，進行管棚試驗，提出了風(fēng)險應(yīng)對措施，通過有限元變形數(shù)據(jù)和實際監(jiān)測情況對比分析，驗證了設(shè)計方案的可靠性；江華等[10]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合等手段，分析了新建盾構(gòu)隧道近距離下穿施工車站結(jié)構(gòu)的變形特征；房倩[11]，吳浩等[12]對大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵車站的沉降特征進行分析，研究了盾構(gòu)操作參數(shù)對地層擾動的影響；學(xué)者們還對矩形暗挖下穿既有車站、盾構(gòu)隧道下穿既有運營隧道的變形影響做了針對性研究[13-17]。

由上述分析可知，盾構(gòu)下穿已運營車站工程更多的是關(guān)注風(fēng)險控制和變形控制，然而，對于工程中普遍存在的變形控制定量標(biāo)準(zhǔn)沒有進行針對性研究分析，如何確定既有結(jié)構(gòu)變形允許范圍是目前急需解決的難題。因此，以杭州地鐵某車站地下三層盾構(gòu)下穿已運營車站為背景，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究、工程類比分析、基礎(chǔ)變位影響等方面，提出了基于基礎(chǔ)變位影響下控制標(biāo)準(zhǔn)分析，給出了有效的變形控制指標(biāo)，分析結(jié)果經(jīng)三維數(shù)值模擬和變形監(jiān)測得到驗證，確保了依托工程地鐵車站的運營安全。

1 工程背景

1.1 工程概況

杭州地鐵既有2號線車站為地下兩層站，目前已經(jīng)投入運營，結(jié)構(gòu)形式為雙柱三跨斷面，呈南北走向；新建地鐵4號線車站為地下三層站，結(jié)構(gòu)形式采用雙柱三跨斷面，呈東西走向，與既有地鐵車站呈88°夾角，新建車站分布于既有車站東西兩側(cè)，新建車站地下三層采用盾構(gòu)法下穿已運營車站。平面布置如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿已運營車站平面關(guān)系

盾構(gòu)隧道以88°斜交角下穿已運營車站，下穿范圍長約30 m，采用單圓盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)外徑6.2 m，管片厚0.35 m，線間距17 m，盾構(gòu)隧道距上方已運營車站最近距離為1.1 m，隧道與既有車站剖面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道下穿已運營車站剖面關(guān)系(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)水文

本工程場地屬湖沼相沉積平原地貌單元，第四系覆蓋層厚度較大，淺部分布有填土、沖湖積黏性土層；中部為沖湖積黏性土、砂層、海積淤泥質(zhì)土、黏性土層；中下部為沖積、沖洪積砂卵石層；下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖、粒砂巖和凝灰?guī)r。各層大致呈水平層理分布，為杭州地區(qū)典型軟土地層。盾構(gòu)下穿段主要為⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和⑦1粉質(zhì)黏土，其中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層于既有站施工時已經(jīng)加固。

場地地下水類型主要是第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水。其中，潛水主要分布于表層填土中，穩(wěn)定水位為0.75～2.70 m。場地承壓水主要分布于⑤2層砂質(zhì)粉土及深部2層中砂、3層礫砂和4層圓礫中，水量豐富，隔水層為上部的淤泥質(zhì)土和黏性土層。⑤2層承壓水埋深位于地表下2.3 m，4層承壓水埋深位于地表下0.8 m，承壓水水頭高度約43 m。

2 既有車站現(xiàn)狀調(diào)查及評估

根據(jù)DB33/T1139—2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程》，盾構(gòu)隧道穿越既有車站前需對既有車站結(jié)構(gòu)狀態(tài)及長期變形數(shù)據(jù)進行調(diào)查，對結(jié)構(gòu)安全狀況進行分類，制定相應(yīng)變形控制標(biāo)準(zhǔn)[18]。

2.1 長期監(jiān)測情況

根據(jù)地鐵保護監(jiān)測單位提供的監(jiān)測資料，截止2019年12月(基坑施工前)，既有地鐵設(shè)施結(jié)構(gòu)豎向變形無明顯變化，上行線最大變化量為4.3 mm，出現(xiàn)在K37+607.5，下行線最大變化量為2.9 mm，出現(xiàn)在K37+735.5。至2020年7月，既有車站范圍內(nèi)軌距也未超限，均在允許范圍內(nèi)。

2.2 結(jié)構(gòu)安全狀況分類

根據(jù)浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程》，軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀況根據(jù)其變形和結(jié)構(gòu)受損情況按表1進行確定[10]。

表1 軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀況分類

根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，車站結(jié)構(gòu)主體及軌道變形較小，結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)良好，鑒于目前已鋪軌運營，結(jié)構(gòu)安全狀況按Ⅲ類進行分析。

3 車站變形控制標(biāo)準(zhǔn)初步分析

3.1 國家行業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)

CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[19]對城市軌道交通結(jié)構(gòu)外部作業(yè)影響等級、凈距控制管理指標(biāo)及結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)均做出了明確要求，本項目處在既有工程強烈影響區(qū)域內(nèi)，接近程度為非常接近，外部作業(yè)影響等級為特級。規(guī)范附錄B給出了項目安全控制指標(biāo)建議值，見表2。

表2 城市軌道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo) mm

3.2 杭州地方控制標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通設(shè)施的風(fēng)險管控出臺了一系列相關(guān)規(guī)定，其中，《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)應(yīng)結(jié)合軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀況、外部作業(yè)對軌道交通結(jié)構(gòu)的主要影響及安全保護要求合理選用，并符合表3規(guī)定。當(dāng)存在多項外部作業(yè)同時影響時，應(yīng)綜合考慮其影響的疊加效應(yīng)，分配結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)。

表3 軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo) mm

按照軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀況分類經(jīng)綜合確定，結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)按Ⅲ類控制，考慮既有車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑開挖影響，截止2020年7月，基坑開挖對車站產(chǎn)生的變形見表4，車站最大沉降為2.1 mm，根據(jù)規(guī)范對安全控制指標(biāo)的分配，將盾構(gòu)下穿的控制指標(biāo)按Ⅱ類控制。

表4 地鐵設(shè)施變形情況

3.3 類似工程調(diào)研統(tǒng)計法

為制定相適應(yīng)的安全控制指標(biāo)，采用對同類工程進行對比分析，并結(jié)合規(guī)范要求經(jīng)綜合確定，文獻[20]中對各主要城市出現(xiàn)的暗挖下穿既有運營地鐵設(shè)施進行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果顯示，各穿越工程均以豎向變形和沉降差作為其主要控制指標(biāo)，豎向變形均控制在10 mm以內(nèi)，沉降差控制在4 mm以內(nèi)。

綜合國家行業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)、杭州地方標(biāo)準(zhǔn)及類似工程調(diào)研，各項結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)均偏大，不利于既有結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)評估。

4 基礎(chǔ)變位對既有結(jié)構(gòu)影響分析

傳統(tǒng)的既有地鐵設(shè)施變形控制標(biāo)準(zhǔn)是基于相應(yīng)規(guī)范及國內(nèi)類似工程經(jīng)驗綜合確定。在實際工程中，結(jié)構(gòu)地基發(fā)生不均勻沉降，將導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加內(nèi)力，直接影響結(jié)構(gòu)受力性能及耐久性。鑒于此，提出一種基于基礎(chǔ)變位影響下控制標(biāo)準(zhǔn)分析方法，通過基礎(chǔ)變位變化推算出結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，進而判斷結(jié)構(gòu)的受力性能和耐久性是否滿足要求，反算出結(jié)構(gòu)允許發(fā)生的變形量。

4.1 荷載取值

一般而言，發(fā)生基礎(chǔ)變位后對結(jié)構(gòu)底板和底縱梁的受力影響最大，而底板受力方向與縱梁方向相互垂直，本工程盾構(gòu)下穿位置近乎垂直于既有車站，發(fā)生基礎(chǔ)變位后，結(jié)構(gòu)橫向差異沉降不大，主要在縱向發(fā)生不均勻沉降。因此，對選取結(jié)構(gòu)底縱梁受力進行分析，尋求結(jié)構(gòu)變形允許值。

根據(jù)傳統(tǒng)車站設(shè)計方法，車站底縱梁設(shè)計計算采用2種荷載，一是根據(jù)二維荷載結(jié)構(gòu)模型計算得出柱端軸力，平均分配到梁上作為其外部荷載；二是采用底板水壓根據(jù)相應(yīng)板跨作用到梁上作為其外部作用，兩者按最不利考慮?？紤]到車站結(jié)構(gòu)是三維受力狀態(tài)，實際結(jié)構(gòu)底縱梁受力要比設(shè)計經(jīng)驗取值小。為反算出結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變位的允許值，可采用三維荷載結(jié)構(gòu)模型分析出結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，反推出底縱梁上等效均布荷載。表5給出了以上3種不同工況下底縱梁等效荷載，結(jié)果表明，設(shè)計計算中等效荷載是實際使用狀況下的2倍左右。

表5 荷載取值

結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)一般為三維受力狀態(tài)，為充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力，選取三維受力狀態(tài)反算出的等效荷載與基礎(chǔ)變位共同作用，進而反分析出結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)。

4.2 承載能力分析

既有車站結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計資料表明，既有車站結(jié)構(gòu)底板厚900 mm，底縱梁1 200 mm×1 900 mm，標(biāo)準(zhǔn)凈跨9.75 m，梁、板混凝土強度等級均為C35，其中，裂縫限值按原設(shè)計考慮，底縱梁分析采用多跨連續(xù)梁模型，荷載采用三維受力狀態(tài)反算出的等效荷載。根據(jù)既有結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，對結(jié)構(gòu)底縱梁承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的控制彎矩進行反算，得到分析結(jié)果見表6。

表6 結(jié)構(gòu)底縱梁控制彎矩

4.3 基礎(chǔ)變位影響分析

為評估新建隧道下穿既有車站沉降對結(jié)構(gòu)的影響，并評判結(jié)構(gòu)相應(yīng)的安全性能，需把基礎(chǔ)變位影響計入到結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，應(yīng)將基礎(chǔ)變位考慮到支座變形當(dāng)中，進而分析得出既有車站結(jié)構(gòu)的變形控制指標(biāo)。

評估一般原則：當(dāng)考慮基礎(chǔ)變位影響得到的內(nèi)力未超過其承載能力，那么結(jié)構(gòu)是安全的；反之結(jié)構(gòu)不安全。針對相應(yīng)基礎(chǔ)變位下的影響對底縱梁內(nèi)力進行分析，并與表6中控制彎矩值對比，分析每一工況下的安全儲備。表7、表8給出了基礎(chǔ)變位下底縱梁跨中、支點內(nèi)力及相應(yīng)安全系數(shù)。

表7 支點沉降縱梁內(nèi)力

表8 支點隆起縱梁內(nèi)力

結(jié)果分析表明，無論是沉降還是隆起，當(dāng)基礎(chǔ)變位達到一定限值后，支點部位首先因達到正常使用極限狀態(tài)(裂縫超限)而不適用于繼續(xù)承載。在充分利用梁體承載潛能的前提下，確保結(jié)構(gòu)正常使用過程中裂縫小于設(shè)計要求，底縱梁變形控制指標(biāo)應(yīng)按-4～6 mm取值。

綜上所述，結(jié)合規(guī)范分析、國內(nèi)類似工程經(jīng)驗和結(jié)構(gòu)受力反算，既有車站結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)應(yīng)為-4～6 mm，相鄰柱差異沉降宜按2 mm控制。

5 盾構(gòu)隧道下穿既有站安全性評價

采用Midas GTS有限元軟件，對盾構(gòu)隧道穿越既有站進行三維建模分析，得出盾構(gòu)隧道對既有車站的變形影響，進一步判斷既有結(jié)構(gòu)運營安全。

5.1 分析模型及參數(shù)

為減少邊界效應(yīng)影響，模型計算范圍按左右邊界距離隧道埋深3～5倍考慮，整個計算模型尺寸為150 m×150 m×70 m(盾構(gòu)隧道埋深18.5 m，隧道距離車站結(jié)構(gòu)底板1.1 m)，三維計算模型及局部模型分別見圖3、圖4。

圖3 盾構(gòu)隧道下穿已運營車站整體模型

圖4 盾構(gòu)隧道下穿已運營車站局部模型

土體及加固體本構(gòu)模型采用修正-摩爾庫倫模型，單元類型采用實體單元；既有車站、新建車站、盾構(gòu)管片和地連墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用線彈性模型，結(jié)構(gòu)板及管片采用板單元，梁柱采用梁單元模擬；為充分模擬盾構(gòu)開挖過程，將地連墻采用實體單元模擬。相關(guān)地層物理力學(xué)參數(shù)見表9，地鐵設(shè)施相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表10。

表9 土層物理力學(xué)參數(shù)

表10 結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.2 施工步序模擬

本次計算按實際工況進行模擬，主要分為4個計算步驟，其中，第1步為地層初始應(yīng)力及車站施工并將位移清零；第2～4步為主要盾構(gòu)施工工況，用以分析端頭加固及盾構(gòu)下穿引起的地鐵設(shè)施變形情況，并根據(jù)變化情況對既有車站結(jié)構(gòu)安全性進行評價，模型分析工況見表11。

表11 施工分析工況

5.3 計算結(jié)果分析

以兩隧道中心為對稱軸(Z軸)，右線隧道方向為X軸正方向建立坐標(biāo)系，車站結(jié)構(gòu)變形隨著盾構(gòu)施工的進行不斷變化，圖5、圖6分別給出了車站底板中心和底縱梁位移分布曲線，圖7、圖8為既有站位移云圖。

圖5 底板中央位移分布曲線

圖6 底縱梁位移分布曲線

圖7 既有站整體位移云圖

圖8 既有站底板位移云圖

圖5～圖8結(jié)果顯示，隨著開挖進行，車站底板中央和底縱梁沉降最大值分布在隧道正上方，呈現(xiàn)出明顯“沉降槽”特征，沿隧道中心線兩側(cè)變形呈減少趨勢，大致距離隧道中心約18 m(3倍洞徑)變形基本為0；右線隧道施工完成后，底板和底縱梁沉降達最大值，左線施工過程中，整個變形呈現(xiàn)先增大后減少趨勢；施工完成后，既有車站結(jié)構(gòu)最大沉降達到2.3 mm，底縱梁最大沉降達到2.0 mm，其結(jié)構(gòu)最大變形控制在制定的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)4 mm以內(nèi)，既有地鐵車站結(jié)構(gòu)變形在安全可控范圍。

5.4 盾構(gòu)穿越方案評價

在盾構(gòu)隧道近距離下穿既有車站時，為驗證盾構(gòu)下穿方案的合理性和可靠性，同時準(zhǔn)確反映盾構(gòu)隧道施工對既有車站的動態(tài)變化，對技術(shù)措施進行及時調(diào)整，實現(xiàn)信息化施工，保證既有地鐵車站安全運行，在既有隧道內(nèi)布設(shè)變形監(jiān)測點，對車站實行全自動化監(jiān)測。

下穿段結(jié)構(gòu)變形測點主要布置在隧道周邊30 m范圍內(nèi)，每隔5 m設(shè)置一個斷面。每個斷面布置4個結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點和2個道床監(jiān)測點，既有站監(jiān)測點布置見圖9。

圖9 既有站監(jiān)測點布置

盾構(gòu)隧道穿越施工完成后，既有線隧道道床沉降如圖10所示，既有結(jié)構(gòu)道床沉降最大發(fā)生位置略微偏離隧道正上方。這是因為隧道正上方土體加固后有效減少了結(jié)構(gòu)沉降，使得沉降槽向兩側(cè)移動。既有車站道床結(jié)構(gòu)最大沉降值達到2.1 mm，與三維分析得到的結(jié)構(gòu)沉降基本一致，且小于本文確定的變形控制指標(biāo)，結(jié)構(gòu)處在安全可控范圍之內(nèi)。

圖10 既有站沉降曲線

綜上所述，通過有限元模擬、現(xiàn)場實測等手段，結(jié)合本文確定的變形控制指標(biāo)，盾構(gòu)穿越施工全過程中，既有站沉降控制在4 mm以內(nèi)，既有站處在安全控制范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

以杭州某地鐵車站下穿已運營車站為背景，采用傳統(tǒng)分析法和經(jīng)典力學(xué)分析方法確定既有車站結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，通過三維有限元分析和實測等手段，驗證了分析結(jié)果的可靠性和有效性，確保了工程的順利實施，結(jié)論如下。

(1)盾構(gòu)隧道近距離穿越既有地鐵車站施工前，對已運營線路進行全面檢查和評估，通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)狀情況綜合確定結(jié)構(gòu)安全狀況為Ⅱ類，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及類似工程，初步確定了既有車站結(jié)構(gòu)的水平及豎向變形控制指標(biāo)為10 mm。

(2)為滿足結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)受力及耐久性要求，采用經(jīng)典力學(xué)理論以多跨連續(xù)梁為模型，通過承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)反分析出既有結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)為-4～6 mm。

(3)通過數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)下穿既有站的變形情況，并結(jié)合監(jiān)測結(jié)果表明，盾構(gòu)施工全過程中已運營地鐵車站的沉降變形均處在安全可控范圍之內(nèi)，驗證了變形準(zhǔn)則的有效性。