既有運(yùn)營(yíng)車站注漿加固及頂管下穿變形控制研究

云強(qiáng)

（中鐵建華南建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著城市間的交通樞紐日益增多，在既有運(yùn)營(yíng)車站下穿現(xiàn)象也越來(lái)越多。文獻(xiàn)[1]提出了數(shù)值模擬控制方法，該方法構(gòu)建了一種能全面反映隧道開(kāi)挖中近程和遠(yuǎn)程條件的巖層變形預(yù)測(cè)模型。采用數(shù)值模擬分析地層變形演變規(guī)律，將盾構(gòu)施工距離狀態(tài)臨界作為判據(jù)，控制車站變形程度，然而該方法對(duì)于變形控制定量標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有針對(duì)性研究，無(wú)法精準(zhǔn)確定既有結(jié)構(gòu)變形允許范圍。文獻(xiàn)[2]提出了實(shí)測(cè)耦合作用變形控制方法，該方法利用Plaxis 軟件模擬流固耦合作用下盾構(gòu)施工所引起的地表沉降變化規(guī)律，將其與實(shí)際情況相比，確定耦合影響最大的主應(yīng)力分布區(qū)域，以此為依據(jù)控制車站變形。由于工程周圍環(huán)境復(fù)雜，使得不同操作項(xiàng)目存在一定特殊性，無(wú)法對(duì)所有操作區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一控制管理。為此，提出了既有運(yùn)營(yíng)車站注漿加固及頂管下穿變形控制研究。使用MIDAS/GTS 軟件數(shù)值模擬下穿施工過(guò)程，結(jié)合超前注漿加固技術(shù)、頂管法控制車站變形。

1 工程概況

以某市已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的雙軌地鐵車站為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的分析，建立了城市軌道交通系統(tǒng)的規(guī)劃模型，為城市軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)提供了理論依據(jù)。按照城市鐵路網(wǎng)絡(luò)的布局，南站開(kāi)通運(yùn)行后，將下穿南站盾構(gòu)隧道、土體、既有列車南站、樁基四大要素構(gòu)成一個(gè)整體，四者交互作用，使得既有南站受到附加應(yīng)力影響，出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象。在車輛行駛時(shí)，會(huì)使樁基礎(chǔ)產(chǎn)生變形和內(nèi)力的改變，從而使樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互作用[3]。為此，南站在初期規(guī)劃階段，既要為5號(hào)線區(qū)段中的盾構(gòu)隧道預(yù)留后續(xù)建設(shè)空間，又要針對(duì)后續(xù)建設(shè)對(duì)車站地基造成的不良沖擊進(jìn)行合理的處理，進(jìn)而提出相應(yīng)的防治對(duì)策。

2 既有運(yùn)營(yíng)車站注漿加固及頂管下穿變形控制

2.1 盾構(gòu)區(qū)間下穿施工數(shù)值模擬

本次模型的上界為地面，縱向長(zhǎng)度為65 m，與新建的隧道250 m 平行。當(dāng)上界處于自由狀態(tài)時(shí)，其它5個(gè)面的法方向變形均受限。在數(shù)值模擬時(shí)，針對(duì)不同的材料采用了相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系[4]。對(duì)于不同層次的土壤，采用了摩爾-庫(kù)侖與線性彈性相結(jié)合的方法來(lái)解決。用二維板元來(lái)模擬混凝土和盾構(gòu)管片，用等效板元來(lái)模擬灌漿為了更真實(shí)地反映出在隧道內(nèi)的荷載、位移以及在隧道內(nèi)的動(dòng)力特性。

模擬施工過(guò)程可分成4 個(gè)階段：首先要根據(jù)基礎(chǔ)的重力場(chǎng)及邊坡的情況來(lái)調(diào)整基礎(chǔ)的位移[5-6]。之后在平臺(tái)上，挖掘出平臺(tái)的地基，構(gòu)建出平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)，并將其整體移走[7]。從西向東的盾構(gòu)洞施工，按照每次進(jìn)尺，先在左邊進(jìn)行第一次基坑施工，并及時(shí)支護(hù)。再在右線進(jìn)行了基礎(chǔ)工程的建設(shè)，計(jì)算出了在建設(shè)期間需要增加的襯砌面積，直到完工為止。

2.2 基于三維荷載結(jié)構(gòu)法的車站受力狀態(tài)分析

在實(shí)際應(yīng)用中，由于基礎(chǔ)不均衡的差異，會(huì)給已建建筑帶來(lái)額外的內(nèi)力，從而對(duì)其承載能力和耐久性造成不利的影響[8]。針對(duì)這一問(wèn)題，本項(xiàng)目擬建立一套在地基位移作用下的控制性準(zhǔn)則解析法，利用地基位移的改變來(lái)推斷框架的應(yīng)力狀況，從而判定框架的力學(xué)性質(zhì)及耐久性，并反演框架的容許變形。充分考慮車站結(jié)構(gòu)三向應(yīng)力情況，在站臺(tái)底部的縱截面上，底部的縱截面上應(yīng)力會(huì)小于理論上計(jì)算結(jié)果[9]。通過(guò)對(duì)三維荷載結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得到了該工程中地基變形的容許數(shù)值。在地基變形后，對(duì)建筑的底板和底部縱梁的受力產(chǎn)生較大影響，尤其在底部縱梁位置出現(xiàn)了不均勻沉降。

2.3 超前注漿加固控制

為了確保在建設(shè)項(xiàng)目的后續(xù)下穿時(shí)安全，在地鐵5號(hào)線的初期設(shè)計(jì)階段，對(duì)5 號(hào)線與11 號(hào)線相交部位地層進(jìn)行加固控制處理[10]。在隧道中，對(duì)刀盤前的上部的土體，采用2～3m 的蓋層，在2～3m 的區(qū)域，進(jìn)行了提前灌漿，形成洞頂上部非開(kāi)挖區(qū)域的固結(jié)帷幕，每次加固后掘進(jìn)完成6m 再進(jìn)行下一循環(huán)超前注漿加固。在加固過(guò)程中，漿液壓力將會(huì)造成對(duì)既有車站構(gòu)造產(chǎn)生影響，使其變形，在對(duì)既有車站進(jìn)行注漿強(qiáng)化后豎向產(chǎn)生沉降，水平方向向中心靠攏，最后都會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，變形量相對(duì)于豎向較小。

2.4 頂管法下穿結(jié)構(gòu)安全控制

頂管結(jié)構(gòu)使用了實(shí)體元素進(jìn)行模擬，根據(jù)現(xiàn)實(shí)工程情況來(lái)進(jìn)行管節(jié)長(zhǎng)度計(jì)算，在相鄰的管節(jié)連接處，采用非耦合的方式進(jìn)行構(gòu)建，僅對(duì)沿頂管頂板中線的單元節(jié)點(diǎn)中坐標(biāo)重合的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了位移自由度耦合，并對(duì)其兩邊施加了一個(gè)橫向的變形限制。當(dāng)主頂油缸的推力達(dá)原設(shè)計(jì)值40～60%時(shí)，可以增設(shè)一次頂油缸，此后當(dāng)原頂油缸的推力達(dá)原設(shè)計(jì)值70～80%時(shí)，可以再增設(shè)一次頂油缸；當(dāng)中繼油壓系統(tǒng)、主頂油壓系統(tǒng)的油壓達(dá)到80%后，才可啟動(dòng)中繼間。對(duì)于有外施工的已建頂管隧洞，在受外工程的作用下，按表2 取值接縫張開(kāi)量和極限曲率半徑。外部施工影響下既有頂管接縫張開(kāi)量可選取2.5mm，變形引起的曲率半徑應(yīng)大于12000m。

3 既有運(yùn)營(yíng)車站安全性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)模型

為了降低邊界效應(yīng)的干擾，將模擬的計(jì)算區(qū)域按照左右邊界與隧道的埋深之間的3～5 倍來(lái)進(jìn)行分析，因此，該區(qū)域的整個(gè)計(jì)算模型的大小為150 m×150 m×70 m，既有運(yùn)營(yíng)車站整體模型如圖1 所示。

圖1 既有運(yùn)營(yíng)車站整體模型

此次的計(jì)算是按照實(shí)際工況模擬的，模擬步驟為：首先對(duì)現(xiàn)有的和新的兩個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了換向清理，再對(duì)兩個(gè)站點(diǎn)的兩端進(jìn)行加強(qiáng)，最后由東至西，全長(zhǎng)25 個(gè)環(huán)。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

南站穿越5 號(hào)線，在區(qū)間掘進(jìn)及工作坑開(kāi)挖過(guò)程中，會(huì)對(duì)既有線路造成不同程度的干擾。為了保證軌道的正常運(yùn)行，在盾構(gòu)機(jī)的推動(dòng)和基礎(chǔ)施工過(guò)程中，對(duì)車站進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和編號(hào)如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

觀測(cè)點(diǎn)則是重點(diǎn)測(cè)量地下通廊底板、地下通廊樁基、站房及平臺(tái)本體上的上浮與垂直變形，以此來(lái)更好地展現(xiàn)地下通廊底板下面的土體沉降、底板脫空以及樁基變形程度，并以此來(lái)說(shuō)明本項(xiàng)目在時(shí)間緊迫的情況下，確定樁-筏基及二次追蹤注漿法的可行性。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

既有運(yùn)營(yíng)車站盾構(gòu)區(qū)間下穿整體變形云圖，如圖3所示。

圖3 既有運(yùn)營(yíng)車站盾構(gòu)區(qū)間下穿整體變形云圖

將圖3 作為判斷依據(jù)，分別使用數(shù)值模擬控制方法、實(shí)測(cè)耦合作用變形控制方法和所研究控制技術(shù)，對(duì)比分析既有運(yùn)營(yíng)車站盾構(gòu)區(qū)間下穿整體變形云圖。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所研究技術(shù)合理性，對(duì)比分析三種方法底縱梁變形程度是否與實(shí)際沉降量一致，如表1 所示。

表1 不同方法底縱梁變形程度/mm

由表1 可知，使用數(shù)值模擬控制方法與實(shí)際沉降量之間存在最大的誤差為5mm，使用實(shí)測(cè)耦合作用變形控制方法與實(shí)際沉降量之間存在最大的誤差為3mm，使用所研究控制技術(shù)與實(shí)際沉降量之間存在最大的誤差為1mm。

4 結(jié)論

通過(guò)三維有限元分析和控制方法，驗(yàn)證了既有運(yùn)營(yíng)車站注漿加固及頂管下穿變形控制研究的有效性，確保了工程順利進(jìn)行，并得到如下結(jié)論：盾構(gòu)區(qū)間下穿既有運(yùn)營(yíng)車站變形控制前，通過(guò)構(gòu)建下穿施工過(guò)程數(shù)值模擬模型，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，初步確定既有運(yùn)營(yíng)車站結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降位置；采用三維荷載結(jié)構(gòu)模型分析接觸面受力狀態(tài)，滿足結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)受力要求；通過(guò)超前注漿加固技術(shù)和頂管法，控制既有運(yùn)營(yíng)車站變形，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所研究技術(shù)的有效性。