盾構下穿時既有國鐵站房的受力分析及加固方案

雷 崇 刁維科

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥第一作者，正高級工程師)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構隧道下穿既有建(構)筑物已成為城市建設中常見的工程問題。文獻[1]以南昌地鐵2號線下穿南昌火車站為例，通過有限元數(shù)值計算獲得了站房結構易發(fā)生裂損區(qū)域，為后續(xù)相應工程提供了參考。文獻[2]以廣州地鐵2號線下穿廣州火車站站場為背景，采用地層加固及扣軌輔助方案，連續(xù)、安全、快速地穿過站場，具有重要的借鑒意義。文獻[3]以貴陽軌道交通1號線下穿貴陽火車站售票廳及行包房工程為背景，通過數(shù)值計算方法對下穿段地應力及區(qū)間隧道開挖支護進行研究，并采取各種有效安全措施，保證了工程順利實施。

以上成果對相關研究具有重要借鑒意義。但既有相關研究中針對盾構隧道正下穿國鐵站房的相關研究相對較少。文獻[4]以優(yōu)化露空長度為目標，采用有限元軟件對盾構隧道下穿站房基礎等沉降規(guī)律進行了研究，并針對減少施工沉降問題提出了諸多優(yōu)化方案，但其尚未介紹站房結構安全分析及相應的加固方案。為保證盾構隧道順利下穿以及站房安全可靠，本文通過數(shù)值計算分析了站房基礎存在既有沉降、站房無加固時，由盾構下穿引起的站房基礎沉降及站房上部結構內(nèi)力變化，以及不同站房加固方案對應的結構內(nèi)力變化等問題；提出了新增樁基+預應力梁的加固方案，為后續(xù)類似工程提供一定的參考與借鑒。

1 工程概況

合肥軌道交通1號線三期工程起點為合肥站站，終點為天水路站，其中瑤海公園站—合肥站站區(qū)間(以下簡稱“瑤合區(qū)間”)為單洞單線圓形隧道，采用盾構法施工，管片內(nèi)徑為5.4 m，壁厚為0.3 m。區(qū)間隧道覆土厚為11.9～18.5 m，主要穿越硬塑黏土層，正下穿合肥站站房公共區(qū)，下穿距離約為100 m。在隧道下穿及強影響范圍內(nèi)分布獨立基礎32座，人工挖孔擴底墩基23座，其相互關系如圖1所示。

圖1 瑤合區(qū)間下穿工程概況圖Fig.1 Overview of the Yao-He interval under-crossing project

合肥站為樞紐內(nèi)主要客站，始建于1997年，站房為2層鋼筋混凝土框架結構，主要為獨立基礎和局部墩基礎，站房使用期間未進行沉降監(jiān)測。2010年對站房部分梁、板、柱等作無損切割、開洞、植筋、粘鋼、混凝土封閉等綜合處理；完成改擴建后，站房面積擴大31%。2016年站房再次改造時，將地面出站廳改造為地下出站，與南廣場地下?lián)Q乘廳順接。

2 盾構下穿施工對既有國鐵站房的影響

地層損失率是指盾構施工時，單位長度土體損失量與土體實際開挖體積的比值，綜合反映盾構掘進時同步注漿的及時性和填充率，以及施工管理質(zhì)量、技術水平、工藝等因素對地面沉降的影響[5]。在數(shù)值分析中，用地層損失率來模擬上述影響，以體現(xiàn)不同的盾構施工水平。本文采用MIDAS/GTS軟件對3‰、4‰、5‰地層損失率盾構下穿引起的站房基礎沉降進行計算分析。經(jīng)試算，按5‰地層損失率進行控制，站房基礎沉降偏大，對應站房加固措施的工期、造價和影響較大，不滿足實際要求；按3‰地層損失率進行控制，站房加固的工期、造價和影響大大降低。考慮保留一定安全冗余，確保萬無一失，本文重點分析4‰地層損失率工況，其他兩種工況作為類比進行對比分析。

2.1 建立模型

根據(jù)隧道與站房之間的相互關系，建立地層結構模型，模型尺寸為：130 m(長)×200 m(寬)×50 m(高)，如圖2所示。站房部分僅體現(xiàn)框架柱及其基礎，將站房上部結構轉(zhuǎn)化為集中荷載作用在框架柱頂。

圖2 計算模型Fig.2 Computational model

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)地勘報告及設計標準，確定相關參數(shù)如表1和表2所示。

2.3 計算分析

根據(jù)實際工程施工工序，模擬過程如下：

1) 設定邊界及初始條件，計算初始應力平衡狀態(tài)，模型位移清零。

2) 盾構作業(yè)主要步序：①開挖。通過“鈍化”一個計算步長范圍內(nèi)的隧道土體單元模擬隧道開挖；②支護。開挖后，“激活”盾殼支護單元，同時給開挖面施加面壓力，以保持盾構開挖面的穩(wěn)定；同時在盾尾“激活”一個管片長度的管片和等代層單元，以模擬盾構管片拼裝及同步注漿過程；滯后3環(huán)管片，調(diào)整等代層參數(shù)模擬注漿材料硬化。③重復開挖、支護步序，直至完成整個盾構隧道的貫通。

表1 土體計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of soil mass

2.4 結果分析

受篇幅限制，此處僅展示站房基礎豎向位移。雙線隧道貫通后站房基礎沉降值如圖3所示。由圖3可知，雙線隧道貫通后，站房基礎最大沉降為7.07 mm，發(fā)生在左右線中間且基底荷載大的基礎上。地層損失率為3‰、4‰和5‰條件下的計算結果如表3所示。

圖3 雙線隧道貫通后站房基礎沉降值

表3 不同地層損失率下隧道施工對站房基礎影響統(tǒng)計表

3 站房加固方案

3.1 建立模型

由于站房使用期間未進行沉降監(jiān)測，采用分層總和法計算站房基礎的既有沉降值，根據(jù)基底附加應力的不同，沉降計算深度影響范圍為7～13 m。計算結果表明，一般相鄰柱間沉降差為0～4 mm，局部大跨區(qū)域(24 m跨)最大沉降差為0～10 mm，既有沉降計算滿足規(guī)范要求。

利用YJK軟件建立合肥站站房主體結構的三維模型，如圖4所示(不含站房獨立基礎)。輸入前文計算的站房基礎既有沉降與盾構下穿引起的附加沉降，計算站房結構內(nèi)力變化，并研究相應加固方案。本文以4‰地層損失率為例進行詳細介紹，其他兩種工況(3‰地層損失率和5‰地層損失率)作為類比進行對比分析。

圖4 站房主體結構三維示意圖Fig.4 3D schematic diagram of station building main structure

3.2 計算分析

合肥站為兩層鋼筋混凝土框架結構，按照最新規(guī)范校核，經(jīng)過計算可知，站房上部結構較大范圍出現(xiàn)構件承載力不足。B-Ⅲ 區(qū)(標高7.790 m)、B-Ⅱ 區(qū)(標高7.790 m)、C-Ⅰ 區(qū)(標高3.770 m、7.970 m、12.500 m)存在框架梁、柱配筋不足情況。以B-Ⅲ 區(qū)為例進行分析，對比配筋與原結構實際配筋計算結果(標高7.970 m)如圖5所示(本工程基于相對標高為零開展工作，對應吳淞高程絕對標高30.400 m)。

圖5 B-Ⅲ區(qū)計算配筋與原結構實際配筋對比(標高 7.970 m)

圖6 站房基礎加固示意圖Fig.6 Schematic diagram of station building foundation reinforcement

3.3 加固方案

針對站房上部結構的部分梁頂、梁底及柱出現(xiàn)配筋不足的情況，同時考慮到B-Ⅱ 區(qū)、C-Ⅰ 區(qū)的梁柱構件在站改時已加固補強，無法二次加固提高構件承載力，經(jīng)多次試算，本文提出采用樁基+預應力梁方案對部分沉降大的站房框架柱進行加固處理，將站房框架柱用預應力梁采取植筋的方式連接。梁高為1 500～1 800 mm，梁寬為900～2 000 mm，埋深為0.2 m，采用C40混凝土；新增鉆孔灌注樁樁徑為800 mm，單樁承載力特征值為3 000 kN，樁端進入持力層不小于1.0 m，如圖6所示。地層損失率為3‰、4‰和5‰時，所對應的站房加固方案如表4所示。

表4 不同地層損失率下站房加固方案統(tǒng)計表

3.4 加固方案驗證

基于所提加固方案，采用Plaxis 3D軟件對盾構下穿引起的站房基礎沉降進行驗證。以4‰地層損失率為例進行詳細介紹，其他兩種工況(3‰地層損失率和5‰地層損失率)作為類比進行對比分析。首先進行樁基施工(有鋼護筒護壁，不考慮縮孔影響)，然后進行梁(筏板)施工，最后進行盾構施工模擬。具體施工步驟為：①加固鉆孔樁施工，②基坑開挖，③梁(筏板)施工及覆土回填，④～⑩右線盾構施工，～左線盾構施工。

圖7 考慮加固措施下的雙線隧道貫通后站房基礎沉降值Fig.7 Foundation settlement value after double track tunnel penetration considering reinforcement measures

計算模型與圖2相似，此處不再贅述?？紤]加固措施下的雙線隧道貫通后站房基礎沉降值如圖7所示。由圖7可知，考慮加固措施后，對站房上部結構內(nèi)力影響較大的框架柱沉降得到明顯抑制，同時對附近的框架柱沉降也有改善，站房基礎差異沉降滿足0.001L(L為相鄰柱距)的控制標準。對于部分跨度較大的轉(zhuǎn)換梁，采用預應力起拱，以增加其剛度。此方法可精準將所加固的框架柱沉降控制在2 mm以內(nèi)，可進一步確保站房結構的安全。

綜合考慮站房基礎既有沉降和盾構下穿引起的附加沉降，當?shù)貙訐p失率為4‰時，采用樁基+預應力梁的加固方案能確保站房結構安全，其相較于地層損失率為3‰的工況，保留了一定的安全冗余；其相較于地層損失率為5‰的工況，有效縮短了工期，降低了造價及對站房的影響。因此推薦4‰地層損失率工況的樁基+預應力梁加固方案。

4 結語

1) 盾構隧道正下穿及強影響范圍內(nèi)分布站房獨立基礎共55個，最小豎向凈距僅為5.79 m，站房使用期間沒有沉降監(jiān)測，站房健康狀況未知，站房使用期間進行過2次改造，部分上部結構已進行過加固，無法通過二次加固提高其承載力，加固設計難度大，下穿施工風險高。

2) 將盾構施工對站房的影響分兩部分進行分析，以地面為界，先分析站房基礎的既有沉降及附加沉降，再分析基礎沉降所引起的站房結構內(nèi)力變化及其相應的加固措施，并獲得相關結論。

3) 系統(tǒng)地分析了3‰、4‰、5‰這3種地層損失率工況下的站房加固方案，得出4‰地層損失率所對應的加固方案是合理可行的。在盾構施工期間，按3‰地層損失率進行施工控制，預留一定安全余量，確保站房安全萬無一失。

4) 本工程為全國首例地鐵區(qū)間盾構隧道近距離正下穿未預留條件的站房公共區(qū)，盾構下穿風險大、難度高。本文通過大量調(diào)研及嚴密分析論證，創(chuàng)新性地提出采用樁+預應力梁的方式精準加固影響站房上部結構內(nèi)力的主要框、架、柱等結構，在確保安全性與經(jīng)濟性的同時，有效降低對既有站房的影響，為類似工程提供借鑒與參考。