盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿在建車站的影響分析

鄧嘉寧 DENG Jia-ning

（佛山軌道交通設(shè)計研究院有限公司，佛山 528315）

0 引言

隨著城市軌道交通的逐步發(fā)展，地鐵線網(wǎng)不斷完善優(yōu)化，地鐵工程修建過程中不可避免存在穿越在建地鐵車站及城際車站的情況。盾構(gòu)穿越在建車站過程中造成土體應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)的改變，將會對在建車站的安全性產(chǎn)生較大的影響。

為了評估盾構(gòu)區(qū)間在近距離下穿在建車站的安全性，分析其在盾構(gòu)施工進行時的位移和內(nèi)力。本文以佛山某地鐵線為例，該地鐵盾構(gòu)下穿某在建城際站，采用有限元軟件對其進行分析。根據(jù)工程概況及地質(zhì)條件，建立有限元模型進行計算及最終監(jiān)測結(jié)果分析，結(jié)果表明：盾構(gòu)隧道的施工對在建車站產(chǎn)生應(yīng)力及位移變化，但相關(guān)影響均滿足相應(yīng)規(guī)范要求，通過嚴控施工質(zhì)量等手段能實現(xiàn)平穩(wěn)穿越在建車站。本文擬對相關(guān)類似工程提供參考[1]。

1 工程概況

1.1 項目概況

在建城際車站總長740m，為地下2 層側(cè)式站，車站標準段寬約51.72m，基坑深約20.60m，采用明挖順筑法施工；車站基坑采用1m 厚地下連續(xù)墻+4 道內(nèi)支撐形式。

某地鐵區(qū)間為外徑6m 的盾構(gòu)區(qū)間，地鐵工程與在建城際車站垂直交叉，前期與相關(guān)權(quán)屬單位溝通協(xié)調(diào)后，城際車站結(jié)構(gòu)底板下方增加樁基礎(chǔ)，預留節(jié)點盾構(gòu)區(qū)間通過。在地鐵區(qū)間穿越城際車站兩側(cè)1m 范圍增加直徑為1.5m 的樁基礎(chǔ)，在盾構(gòu)區(qū)間穿越連續(xù)墻9m 范圍預留玻璃纖維筋，地鐵右線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離城際車站底板最小距離為0.851m，地鐵左線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離城際車站底板最小距離為0.808m；地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)距離城際車站樁基礎(chǔ)均約1m。

地鐵盾構(gòu)施工穿越車站期間，車站僅完成中板及底板結(jié)構(gòu)，第一、二道支撐尚未拆除。

圖1 工程項目總平面示意圖

1.2 地質(zhì)條件

城際基坑范圍場地主要為雜填土層、粉質(zhì)黏土、海陸交互相淤泥質(zhì)土、沖積—洪積層中粗砂層及強風化粉砂質(zhì)泥巖；隧道洞身范圍主要為海陸交互相淤泥質(zhì)土及強風化粉砂質(zhì)泥巖。（圖2）

圖2 項目地質(zhì)縱斷面示意圖

圖3 有限元模型圖

圖4 右線隧道下穿對連續(xù)墻總位移云圖

圖5 右線隧道下穿對連續(xù)墻彎矩云圖

2 有限元建模

地鐵隧道工程先施工右線區(qū)間結(jié)構(gòu)，后施工左線區(qū)間結(jié)構(gòu)，其對在建城際站的影響無法用傳統(tǒng)解析法計算，需采用有限元法進行模擬計算。本次設(shè)計計算采用某巖土專用有限元分析軟件，該軟件可用于巖土工程變形和穩(wěn)定性的大型數(shù)值計算模擬。三維模擬分析計算時須充分結(jié)合本工程的地層分布特點合理選取計算參數(shù)。對各結(jié)構(gòu)構(gòu)件及地層的有限元模擬，采用實體單元模擬地層，板單元模擬車站結(jié)構(gòu)、連續(xù)墻、隧道管片，梁單元模擬內(nèi)支撐等。本次分析采用水土分算的模式，摩爾-庫倫破壞準則仿真模擬地層。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z 方向位移約束，模型前后面Y 方向約束，模型左右面X 方向約束[2]。

根據(jù)施工的特點，地鐵右線區(qū)間隧道已盾構(gòu)始發(fā)施工，待城際站中板實施完成后穿越在建城際站，待車站主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，地鐵左線盾構(gòu)穿越。數(shù)值模擬始于基坑開挖前初始狀態(tài)，根據(jù)實際基坑開挖、盾構(gòu)機掘進順序，對城際車站全開挖過程及盾構(gòu)穿越的全過程（進入影響區(qū)、到達結(jié)構(gòu)線、下穿、脫出結(jié)構(gòu)線、脫離影響區(qū)）進行分析認為：

①進入城際車站影響區(qū)、到達結(jié)構(gòu)線兩個過程中，盾構(gòu)對車站連續(xù)墻影響較小。

②在脫離城際車站影響區(qū)過程中，盾構(gòu)施工不會加劇對城際車站的影響。

③在盾構(gòu)下穿城際車站和脫出結(jié)構(gòu)線的過程中，對穿越過程進行模擬，取盾構(gòu)推進過程中最不利條件下的位置進行計算分析，本工程采用先進行右線隧道盾構(gòu)施工，后進行左線隧道盾構(gòu)施工的順序，盾構(gòu)機兩次下穿在建城際站。經(jīng)研究：在盾構(gòu)掘進過程中，右線盾構(gòu)機刀盤與在建車站底板凈距0.71m 為最不利位置，左線盾構(gòu)機刀盤與在建車站底板凈距0.67m 最不利位置。根據(jù)最不利條件下盾構(gòu)推進對既有車站的影響，判定盾構(gòu)機在掘進過程中是否影響在建城際站結(jié)構(gòu)安全[3]。

3 結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

為了更好地分析施工項目，特意對其在兩個工況下的城際車站圍護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)進行分析，工況一為車站主體結(jié)構(gòu)中板施工完畢后，右線區(qū)間進行盾構(gòu)推進通過；工況二為車站主體結(jié)構(gòu)封頂回填完畢后，左線區(qū)間進行盾構(gòu)推進通過[4]。

3.1 連續(xù)墻變形及受力分析

分析車站主體結(jié)構(gòu)中板施工完畢后，右線區(qū)間進行盾構(gòu)推進通過，對基坑圍護結(jié)構(gòu)連續(xù)墻及受力的影響。

隨著支撐拆除和右線盾構(gòu)隧道下穿，連續(xù)墻最大水平位移、豎向位移、總位移值分別為27.83mm、1.367mm、27.94mm，盾構(gòu)下穿對連續(xù)墻變形影響很小。右線隧道下穿過程中連續(xù)墻最大彎矩值1405.4kN·m，最大剪力值467.9kN。

結(jié)果表明：城際車站連續(xù)墻配筋E32@75 及變形滿足要求。

3.2 主體結(jié)構(gòu)分析

分析車站主體結(jié)構(gòu)中板施工完畢后，右線區(qū)間進行盾構(gòu)掘進通過；車站主體結(jié)構(gòu)封頂回填完畢后，左線區(qū)間進行盾構(gòu)掘進通過對主體結(jié)構(gòu)的影響。將沉降及受力計算分析所得結(jié)果圖列舉如下，由于篇幅有限，僅列舉雙線貫通沉降圖。

①主體結(jié)構(gòu)變形分析（圖6）。

圖6 雙線貫通沉降圖

單線隧道貫通和雙線隧道貫通前后城際站發(fā)生一定程度的沉降。單線貫通時在隧道中心線處沉降最大為14.85mm，車站沉降為1.95mm；雙線貫通后在兩線隧道中心連線的中垂線位置沉降最大為15.73mm，車站沉降為0.59mm。

結(jié)果表明：城際站沉降能夠滿足《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10623-2014）要求：與橋梁、隧道或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后沉降差不應(yīng)大于5mm，無砟軌道靜態(tài)鋪設(shè)的允許沉降偏差不應(yīng)大于2mm，可以進行無砟軌道施工作業(yè)，保證軌道的平順度。城際站最大沉降為1.95mm，變形不會對車站結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大影響[5]。

②主體結(jié)構(gòu)受力分析（圖7）。

圖7 雙線貫通沉降圖

圖8 盾構(gòu)施工監(jiān)測沉降圖

由圖7 可知，單線隧道貫通時車站底板最大壓應(yīng)力為0.99MPa，最大拉應(yīng)力為0.22MPa，樁基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力為1.24MPa，最大拉應(yīng)力為0.29MPa；雙線隧道貫通時車站結(jié)構(gòu)底板最大壓應(yīng)力為1.0MPa，最大拉應(yīng)力為0.23MPa，樁基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力為1.22MPa，最大拉應(yīng)力為0.30MPa。城際站主體結(jié)構(gòu)采用C40 混凝土，樁基礎(chǔ)采用C35 混凝土，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）C40 混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值為1.71MPa、軸心抗壓強度設(shè)計值為19.1MPa，C35 混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值為1.57MPa、軸心抗壓強度設(shè)計值為16.7MPa，盾構(gòu)下穿車站對車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力及拉力皆小于設(shè)計值。

結(jié)果表明：城際站結(jié)構(gòu)底板及樁基礎(chǔ)滿足受力要求[6]。

4 施工監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測，右線穿越城際站最大沉降為2.12mm，左線穿越城際站最大沉降為2.28mm。施工證明通過采取控制盾構(gòu)掘進參數(shù)等有效措施，可有效控制地鐵施工對在建城際車的影響。

5 建議

通過分析和論證提出如下建議：

①盾構(gòu)施工過程中，對盾構(gòu)機的推進速度、頂推力、同步注漿、二次注漿嚴格控制。施工過程應(yīng)保證24 小時連續(xù)、平穩(wěn)作業(yè)，及時同步及二次補充注漿。施工中應(yīng)嚴格貫徹信息化施工原則，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化及時調(diào)整各項盾構(gòu)掘進施工參數(shù)，同時應(yīng)采取有效措施確保管片背后填充密實同時確保掘進及后續(xù)注漿對城際車站結(jié)構(gòu)不造成不利影響。

②在推進到達城際車站影響范圍前10m 左右時，按照穿越城際車站的各種推進參數(shù)進行推進，根據(jù)地面沉降等各種反應(yīng)出來的變化不斷地調(diào)整推進參數(shù)，達到推進的理想?yún)?shù)配置，為真正穿越城際車站取得試驗數(shù)據(jù)。

③盾構(gòu)推進期間至施工結(jié)束后最少三個月內(nèi)（應(yīng)觀測到車站變形穩(wěn)定為止），必須進行同步跟進實時監(jiān)測，對城際鐵路線下工程結(jié)構(gòu)、軌道實施全過程監(jiān)測。地鐵施工過程中不得影響城際鐵路運行。

6 結(jié)論

本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿在建車站為例，對其進行有限元分析及施工監(jiān)測分析。計算結(jié)果表明：地鐵穿越在建城際車站的沉降和受力均滿足要求，處在安全范圍內(nèi)，但由于建設(shè)的重要性，在進行施工過程中應(yīng)保證24小時連續(xù)對沉降進行監(jiān)控，以防止造成不利影響。