富水細砂地層盾構斜向超近距下穿雙洞雙線暗挖站施工技術

易領兵, 陳慶懷, 孟旭央, 杜明芳, 閆文博, 吳程浩, 楊涌躍

(1.中國交建軌道交通事業(yè)部,北京 100088; 2.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003; 3.河南工業(yè)大學 土木建筑學院,河南 鄭州 450001; 4.中交鐵道設計研究總院有限公司,北京 100088)

0 引 言

城市軌道交通為線性工程,在城市地下空間建設時,往往不可避免地需要下穿既有地鐵隧道或地上建筑,可能導致重大安全事故發(fā)生,這將無疑增大地鐵盾構施工的風險[1-3]。文獻[4]通過數(shù)值模擬、經(jīng)典力學理論、實測分析等方法,研究了盾構隧道穿越既有車站的變形控制標準;文獻[5]采用簡化理論模型、曲線公式、實測分析等方法,研究了新建雙線隧道下穿施工對既有隧道產生的沉降和彎矩的影響;文獻[6]通過動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),優(yōu)化盾構施工參數(shù),研究了盾構機與已建隧道相對位置不同時,盾構施工對已建地鐵隧道位移的影響;文獻[7]通過資料調研、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗和監(jiān)控測量等方法,研究了砂土地層中盾構隧道超近距離下穿既有隧道的變形控制措施,得到砂土地層中盾構施工參數(shù)值;文獻[8]通過數(shù)值模擬分析,研究了預埋樁基對既有車站變形控制的影響;文獻[9]采用數(shù)值模擬分析,研究了黃土地區(qū)盾構隧道近距離下穿既有線的影響規(guī)律及控制標準;文獻[10]通過對既有隧道沉降的數(shù)值模擬,結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及盾構施工參數(shù)的分析,研究雙線盾構下穿時既有地鐵盾構隧道的沉降規(guī)律及控制措施;文獻[11]通過對既有隧道沉降的數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、盾構施工參數(shù)的分析,研究了盾構下穿既有盾構隧道時施工參數(shù)的合理取值;文獻[12]通過優(yōu)化盾構機技術參數(shù)配置、渣土改良技術,研究了盾構施工超近距離下穿對既有出入段線雙連拱暗挖隧道的影響;文獻[13]通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,采取土體加固、加強底板配筋,研究了盾構隧道下穿施工對既有運營市政隧道的影響;文獻[14]采用數(shù)值模擬分析,對比分析了地層不加固、超前管棚加固、地表注漿加固、運營隧道內加內箍支撐及MJS工法加固等多種方案對既有運營隧道的影響;文獻[15]通過現(xiàn)場調研、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法,進行了盾構施工參數(shù)對軌道既有隧道和軌道高差的沉降規(guī)律研究。

上述文獻較多研究盾構下穿施工對既有隧道、車站、市政管線的影響,而對富水細砂地層中盾構超近距下穿地鐵站的施工研究較少,富水細砂地層條件下盾構斜向超近距下穿對上部地鐵站的研究涉及也較少。綜合以往專家學者的研究成果,結合本課題工程背景,本文研究富水細砂地層條件下地鐵盾構區(qū)間斜向超近距下穿施工對地鐵站的影響,研究成果為后續(xù)類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 穿越既有站段新建盾構區(qū)間概況

盾構區(qū)間內徑5.5 m,管片厚0.35 m,外徑6.2 m,整體從東北方向先左線、后右線施工順序連續(xù)斜向穿越既有地鐵站暗挖段。左線以69.06°小角度穿越,右線以67.86°小角度穿越,穿越暗挖段寬度約24.8 m。左、右線盾構區(qū)間外皮距地鐵站暗挖段初支外皮垂直凈距僅0.75 m。

整體穿越地鐵站范圍左、右線盾構區(qū)間結構外皮頂覆土18.665 m、底埋深24.865 m,且完全處于④細砂地層,地下水位位于地表以下4.5 m,盾構區(qū)間所處地層完全為富水細砂地層,該細砂地層受外界擾動后在富水區(qū)流動性很強,盾構穿越過程潛在涌水涌砂風險極高。

1.2 地鐵站概況

既有地鐵站整體呈東西走向跨南北大道路口偏東西大路南側敷設,車站東西向總長265.1 m。其中西端明挖段總長64.7 m,結構型式為地下雙層三跨結構,采取明挖法施作;中間單洞單線+3組聯(lián)絡通道暗挖段總長63.6 m,結構型式為單洞單線結構,采取暗挖法施作;東端明挖段總長136.8 m,結構型式為地下雙層三跨結構,采取明挖法施作。

東、西兩端明挖段頂板覆土約3.0 m,底板埋深約16.0 m,下沉段底板埋深約18.5 m,寬度22.1 m,外擴段寬度26.0 m;中間暗挖段頂板覆土約8.7 m,底板埋深約17.5 m,寬度23.3 m。

中間暗挖段內距離東、西兩端明挖段與中間暗挖段分界位置2 m處設置變形縫,西端變形縫一距離左線盾構外皮最小距離18.64 m,東端變形縫二距離右線盾構外皮最小距離8.15 m。

車站所處地層自上而下依次分布為2.7 m厚①雜填土、7.5 m厚②粉質黏土、7.5 m厚③黏質粉土、10.0 m深厚④細砂層。地下水位埋深4.5 m。東、西兩端明挖段頂板基本位于②粉質黏土地層,底板位于④細砂地層;中間暗挖段頂板位于②粉質黏土地層,底板基本位于③黏質粉土和④細砂地層交界面。

中間暗挖段初支外皮向外2.6 m范圍已提前采取WSS無收縮后退式深孔注漿加固措施施作。平面位置關系及監(jiān)測點平面布置圖如圖1所示,剖面位置關系如圖2所示。

圖1 平面位置關系及監(jiān)測點平面布置圖

圖2 剖面位置關系圖

2 有限元計算

2.1 計算模型

針對富水細砂地層,采用MIDAS有限元計算程序建立模型,整體模型除頂面為自由面以外,其余四周四面及底面均采取固定約束固定,結構與土體接觸面采取析取單元型式創(chuàng)建,軟件中采取接觸對定義約束連接。模型的長、寬、高尺寸分別為400、200、60 m。巖土體采用修正莫爾-庫倫彈塑性模型,采用實體單元模擬;車站結構墻板、暗挖初支及二襯等采用板單元模擬;結構梁、柱、連梁、軌道等采用梁單元進行模擬。采用線彈性本構模型模擬新建盾構區(qū)間與既有地鐵站等,如圖3、圖4所示。

圖3 地層結構模型

圖4 盾構區(qū)間與地鐵站相對位置關系

為研究盾構斜向超近距下穿施工過程中既有地鐵站位移變化特征及既有地鐵站明暗挖交界處變形縫差異沉降規(guī)律,借鑒以往工程經(jīng)驗及軟件仿真計算理論,同時按照本工程施工組織計劃先左線盾構穿越然后右線盾構,穿越皆按照盾構掘進接近車站、盾構掘進穿越車站、盾構掘進遠離車站三階段進行仿真模擬計算研究,盾構掘進按照每一環(huán)挖土(1.5 m環(huán)寬)、管片成環(huán)封閉進尺步驟循環(huán)進行施工。三階段如下:新建盾構區(qū)間左線盾構掘進至穿越既有地鐵站前外 6 m 處→左線盾構穿越既有地鐵站至穿站后外 6 m 處→左線盾構遠離既有地鐵站→右線盾構掘進至穿越既有地鐵站前外 6 m 處→右線盾構穿越既有地鐵站至站后外 6 m 處→右線盾構遠離既有地鐵站。

2.2 施工步驟

詳細施工步驟如下:

(1) 工況1。初始地應力還原。

(2) 工況2。左線盾構掘進至穿越既有地鐵站前外6 m 處。

(3) 工況3。左線盾構穿越既有地鐵站至站后外6 m 處。

(4) 工況4。左線盾構遠離既有地鐵站。

(5) 工況5。右線盾構掘進至穿越既有地鐵站前外6 m 處。

(6) 工況6。右線盾構穿越既有地鐵站至站后外6 m 處

(7) 工況7。右線盾構遠離既有地鐵站。

土體及結構物理力學參數(shù)見表1所列。

表1 土體及結構物理力學參數(shù)

3 計算結果

3.1 車站位移

為節(jié)約篇幅,不再逐一列出每一工況計算云圖,僅列出工況4和工況7的計算結果,如圖5、圖6所示。

圖5 工況4地鐵站豎向、水平位移變形云圖圖6 工況7地鐵站豎向、水平位移變形云圖

盾構區(qū)間左線施工后主要影響盾構區(qū)間下穿處既有地鐵站暗挖段,兩側明挖段沉降影響較小,暗挖段主體變形由下穿區(qū)域向兩側逐漸減小。最大沉降值1.02 mm,位于暗挖段 DK8+324.6 附近,沉降槽寬度約為 17.5 m(DK8+317.1～DK8+334.6,沉降大于0.5 mm 范圍);暗挖段沉降變形主要受垂直下穿段施工影響,既有地鐵站兩側 6 m 范圍外新建盾構區(qū)間施工新增沉降小于0.10 mm,基本無影響。

水平變形相對較小,最大水平變形為0.22 mm,位于西端車站明挖段主體底板部位。本階段施工各部位以靠近盾構區(qū)間的沉降變形為主。

盾構區(qū)間右線主要影響盾構區(qū)間下穿處既地鐵站暗挖段,東端明挖段鄰近處也產生一定沉降,西端明挖段基本無影響,地鐵站主體變形由下穿區(qū)域向兩側逐漸減小。最大沉降值為1.53 mm,位于暗挖段東側(DK8+344.5);沉降槽寬度約為42 m(DK8+316.5～DK8+358.5,沉降大于0.5 mm范圍),暗挖段沉降變形主要受垂直下穿段施工影響,既有地鐵站兩側 6 m 范圍外新建盾構區(qū)間施工新增沉降小于 0.10 mm,基本無影響。

水平變形相對較小,最大水平變形為0.24 mm,位于東端明挖段底板部位。本階段施工,各部位以靠近盾構區(qū)間的沉降變形為主。

地鐵站位移曲線如圖7所示。

圖7 地鐵站位移曲線

分析上述結果可以看出:隨左線盾構掘進遠離既有地鐵站,車站沉降和水平位移逐漸增大,沉降最大值達到1.00 mm,水平位移最大值達到0.20 mm,水平位移值僅為沉降值20%,地鐵站變形以沉降為主。隨右線盾構掘進遠離既有地鐵站,車站沉降和水平位移繼續(xù)逐漸增大,但沉降最大值增幅較大達到1.53 mm,增幅比例53%;水平位移最大值增幅較小,僅達到0.24 mm,增幅比例20%;水平位移值僅為沉降值15.7%,地鐵站變形以沉降為主。

3.2 變形縫差異沉降

選擇不同位置點進行結構的變形縫統(tǒng)計與分析,如圖8、圖9所示。圖9中,1～5分別表示頂拱跨中、頂拱支座、側墻跨中、底板跨中、底板支座。變形縫位置變形量見表2所列。

表2 變形縫位置變形量 單位:mm

圖8 選取變形縫位置

圖9 仿真變形縫差異沉降量

根據(jù)計算結果,2條變形縫中,最大差異沉降位于車站主體暗挖段底板。

跨中DK8+358.5處的變形縫二,結構兩側的差異變形量最大為0.080 4 mm,不會影響車站結構的正常使用。

3.3 軌道沉降

提取施工后地鐵站雙線鋪軌處測線豎向位移值,繪制軌道沉降曲線如圖10所示。

圖10 軌道沉降曲線

由圖10軌道沉降曲線可知,地鐵站影響范圍內雙線軌道主要受盾構區(qū)間下穿影響,隨左線盾構掘進遠離既有地鐵站,左、右線軌道沉降量均逐漸增大,左線沉降最大值達到0.59 mm,右線沉降最大值達到0.54 mm;隨右線盾構掘進遠離既有地鐵站,左、右線軌道沉降量均繼續(xù)逐漸增大,左線沉降最大值達到0.89 mm,增幅比例50.8%,右線沉降最大值達到0.81 mm,增幅比例50.0%。

4 施工監(jiān)測分析

整理施工過程中各橋實際監(jiān)測數(shù)據(jù)并匯總,結果如圖11所示。

圖11 施工監(jiān)測地鐵站位移、差異沉降量及軌道沉降

監(jiān)測結果表明:

(1) 隨左線盾構掘進遠離既有地鐵站,車站沉降和水平位移逐漸增大,沉降最大值達到0.97 mm,水平位移最大值達到0.17 mm,水平位移值僅為沉降值17.5%,地鐵站變形以沉降為主。隨右線盾構掘進遠離既有地鐵站,車站沉降和水平位移繼續(xù)逐漸增大,但沉降最大值增幅較多達到1.48 mm,增幅比例52.6%;水平位移最大值增幅較小僅達到0.19 mm,增幅比例11.8%;水平位移值僅為沉降值的12.8%,地鐵站變形以沉降為主。

(2) 根據(jù)計算結果,2條變形縫中,最大差異沉降位于車站主體暗挖段底板。跨中DK8+358.5處變形縫二,結構兩側的差異變形最大值為 0.079 mm,不會影響車站結構的正常使用。

(3) 由軌道變形結構可知,地鐵站影響范圍內雙線軌道主要受盾構區(qū)間下穿影響,隨左線盾構掘進遠離既有地鐵站,左、右線軌道沉降均逐漸增大,左線沉降最大值達到0.49 mm,右線沉降最大值達到0.45 mm;隨右線盾構掘進遠離既有地鐵站,左、右線軌道沉降均繼續(xù)逐漸增大,左線沉降最大值達到0.74 mm,增幅比例51.0%,右線沉降最大值達到0.69 mm,增幅比例53.3%。

從圖7、圖9～11可以看出,監(jiān)測數(shù)值與仿真計算結果及發(fā)展趨勢基本一致,總體而言監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于仿真計算結果,但兩者數(shù)據(jù)顯示最大值發(fā)生位置基本一致,從而印證了模型的準確性。

5 結 論

本文對富水細砂地層盾構斜向超近距下穿既有地鐵站施工過程進行了數(shù)值計算分析。整理施工監(jiān)測數(shù)據(jù)結果并與模擬計算結果比對,變化規(guī)律基本一致,因此印證了仿真計算的準確性。結論如下:

(1) 隨左線盾構掘進遠離既有地鐵站,車站沉降和水平位移逐漸增大。施工監(jiān)測顯示:車站沉降最大值為1.48 mm,位移最大值為0.19 mm,均小于模擬計算結果;此外地鐵站站沉降及位移變化趨勢與模擬結果基本一致。

(2) 最大差異沉降位于車站主體暗挖段底板。變形縫二結構兩側的差異變形最大為 0.080 4 mm,不會影響車站結構的正常使用。施工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:差異沉降發(fā)生最大位置為變形縫二,最大值為0.079 0 mm,與模擬計算結果基本一致。

(3) 隨左線盾構掘進遠離既有地鐵站,左、右線軌道沉降均逐漸增大。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:左線沉降最大值達到0.74 mm,右線沉降最大值達到0.69 mm,小于但接近模擬計算結果。