地鐵近距離下穿運(yùn)營國鐵擴(kuò)底樁基礎(chǔ)站房技術(shù)研究

嚴(yán)啟

中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100055

引言

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)發(fā)展，各城市地鐵建設(shè)越來越完善，地鐵也成為人們出行的重要交通工具。

通常，各城市地鐵均與鐵路交通樞紐進(jìn)行銜接甚至合建形成綜合交通樞紐，地鐵工程的修建避免不了與既有國鐵站房產(chǎn)生近距離下穿施工。下穿施工對既有國鐵站房變形安全控制標(biāo)準(zhǔn)高，而下穿工程的施工必將擾動站房基礎(chǔ)的持力土層，引起土層應(yīng)力調(diào)整和沉降變形，威脅鐵路的運(yùn)營安全。目前，我國已陸續(xù)出現(xiàn)了一些下穿高速鐵路的工程，在杭州已有成功下穿案例，房倩等人[1]采用高斯方程擬合了地層、結(jié)構(gòu)變形與盾構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并給出了影響沉降槽寬度的因素；洪開榮[2]在不采取地層和軌道加固的情況下，通過對盾構(gòu)參數(shù)的分析和論述，實(shí)現(xiàn)了安全下穿的結(jié)果；雷崇等人[3]在既有站房有沉降且無加固措施的情況下分析了下穿對站房變形和內(nèi)力變化的影響，并給出加固方案；劉志濤等人[4]采用數(shù)值模擬方法驗證了采用優(yōu)化盾構(gòu)露空長度對減小下穿火車站工程沉降有較好的效果；李圍、何川[5]采用三維有限元分析和室內(nèi)相似試驗互相驗證的方式研究了盾構(gòu)隧道下穿大型結(jié)構(gòu)近接施工的影響，并對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)給出了建議值；陶連金[6]等人采用三維有限差分程序模型盾構(gòu)隧道施工，就結(jié)構(gòu)間相互作用及變形縫對結(jié)構(gòu)差異變形的影響做出了分析。

本文以太原某區(qū)間隧道正下穿既有運(yùn)營中國鐵高架候車樓為例，對盾構(gòu)隧道近距離下穿擴(kuò)底樁基礎(chǔ)站房進(jìn)行安全性分析，并給出了相應(yīng)的預(yù)加固方案。

1 工程概況

1.1 區(qū)間下穿國鐵站房概況

區(qū)間自建設(shè)北路南站引出，依次下穿太原火車站主站房、高架候車廳、股道、旅客地道后接入太原站東廣場站區(qū)間總長477m，下穿國鐵站房范圍約188m，線間距17.2m，軌面埋深約23.4～27.1m。下穿范圍為太原站運(yùn)營及控制的核心部位。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間下穿高架候車樓縱剖面圖

1.2 國鐵站房概況

高架候車樓基礎(chǔ)為人工挖孔擴(kuò)底樁基礎(chǔ)，樁基上部直徑1.3～2.2m，擴(kuò)底直徑2～3.4m，下穿范圍樁間距分別為14.8m、6.6m、9.5m。

區(qū)間主要穿越粉質(zhì)黏土（可塑至硬塑）、黏質(zhì)粉土及部分粉細(xì)砂層。區(qū)間內(nèi)地下水類型主要為第四系孔隙潛水，水位埋深約10m，受近年來太原地下水水位回升影響，人工挖孔擴(kuò)底樁樁底位于水位以下。

2 下穿高架候車樓數(shù)值分析

2.1 有限元模型建立

通過建立有限元模型，對地鐵盾構(gòu)隧道下穿國鐵高架候車樓施工過程經(jīng)行模擬分析，太原站內(nèi)建構(gòu)筑較多，本次重點(diǎn)分析高架候車樓樁基的變形。

根據(jù)盾構(gòu)隧道與高架候車樓位置關(guān)系，并考慮模型邊界約束對計算結(jié)果的影響，采用Midas GTS建立模型，尺寸為305m（沿隧道方向）×242m（垂直隧道方向）×80m（土層厚），隧道中心埋深約23m，土體采用修正摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，地層及站房上部結(jié)構(gòu)采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬，站房樁基礎(chǔ)采用1D樁單元進(jìn)行模擬，盾構(gòu)管片采用板單元進(jìn)行模擬。盾構(gòu)開挖模擬采用凍結(jié)（殺死）土體單元參數(shù)的方式進(jìn)行。

圖2 有限元分析模型

2.2 分析結(jié)果

模型計算后提取樁基礎(chǔ)的豎向變形值，分析其變形趨勢。

2.2.1 垂直區(qū)間方向樁基變形趨勢。提取垂直于盾構(gòu)隧道方向的一排樁基礎(chǔ)沉降值，進(jìn)行變形趨勢分析，繪成散點(diǎn)圖如圖3。

圖3 盾構(gòu)隧道下穿高架候車樓后樁基變形

通過圖3可以看出，在盾構(gòu)通過候車樓之后樁基礎(chǔ)整體沉降為盾構(gòu)隧道部位沉降最大，兩側(cè)逐漸減小，變形趨勢與“peck曲線”吻合較好，從變形云圖中可以讀出影響范圍沿垂直盾構(gòu)隧道方向總計約65m。樁基礎(chǔ)最大沉降約5.5mm，差異沉降2.2，按照此處樁間距9m計算，差異沉降率0.00024。

3 防護(hù)措施研究

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，并結(jié)合站房的結(jié)構(gòu)鑒定和安全評估結(jié)果，站房樁基礎(chǔ)沉降最大值不得超過6mm。通過上述計算分析表明，最大變形值5.5mm小于變形限值，但已接近安全限值。

雖然盾構(gòu)下穿高架候車樓施工，通過做好盾構(gòu)自身措施即可安全通過，樁基及上部結(jié)構(gòu)變形均小于限值。但考慮到國鐵站房的重要程度，從增加站房安全冗余的角度考慮，需對站房進(jìn)行額外的安全加固，提高站房樁基礎(chǔ)的抗變形能力。

站房加固措施主要從變形的源頭進(jìn)行考慮，即加固樁基礎(chǔ)。考慮到樁頂位于既有站臺面下方，且站臺在改造時進(jìn)行加高，站臺面至上方樓板的凈空僅4m左右，大型施工機(jī)械無法進(jìn)入，常規(guī)采取補(bǔ)打加強(qiáng)樁的方式難以實(shí)現(xiàn)，且在既有擴(kuò)底樁附近鉆孔對樁基礎(chǔ)擾動較大，并考慮站臺運(yùn)營的需要以及站內(nèi)施工的可實(shí)施性，采取對樁基礎(chǔ)頂部進(jìn)行加強(qiáng)。加固方案在既有樁頂連系梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行增大，并將連系梁中間范圍澆筑混凝土筏板，形成加強(qiáng)梁+筏板的方式連接樁頂，提高樁基的整體性；并在筏板和加強(qiáng)梁下方采取注漿的方式加固地基土，提高地基承載力及彈性模量，從而協(xié)調(diào)整體變形，降低差異沉降[7]。

加固范圍在垂直盾構(gòu)隧道方向（橫向）兩側(cè)各1柱跨，沿盾構(gòu)方向為站房4個站臺所對應(yīng)的全部樁基礎(chǔ)。橫向加固的柱跨范圍確定采用按盾構(gòu)隧道兩側(cè)45°線延伸至地面后的影響范圍確定。

為了確定加強(qiáng)聯(lián)系梁+筏板體系對變形的控制效果，針對盾構(gòu)下穿樁基礎(chǔ)加固進(jìn)行局部單獨(dú)建模計算，采用荷載代替上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。計算參數(shù)同上文模型中參數(shù)，其中注漿采用改變土體單元的參數(shù)來進(jìn)行模擬。

模型計算分為兩個工況：工況一為不施加任何加固措施，即與上文中模型計算工況一致；工況二為施加加強(qiáng)梁+筏板加固后再進(jìn)行盾構(gòu)穿越施工[8]。

根據(jù)計算結(jié)果，提取沿垂直盾構(gòu)隧道方向樁底沉降值，將上述兩個工況的計算結(jié)果繪制到一張表格中，形成圖4。

圖4 加固前后沉降對比表

通過圖4的對比可以看出，加固前后變形趨勢基本一致，加固后變形影響范圍有所縮小，相對加固前更為集中，但11、12、13軸樁基礎(chǔ)沉降有較為明顯的降低，最大值由加固前5.5mm降低至3.3mm，差異沉降由0.000318降低至0.000131。

4 結(jié)論及建議

盾構(gòu)隧道在做好自身施工措施的情況下，可近距離下穿候車樓的擴(kuò)底樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)沉降可控制在規(guī)范及安全的范圍內(nèi)。

下穿施工對樁基礎(chǔ)的影響主要表現(xiàn)為臨近時抬升、下穿后沉降；橫向影響范圍及趨勢與“peck曲線”吻合較好，呈現(xiàn)隧道中間較大，兩側(cè)逐漸減小的趨勢，且主要沉降位于兩條隧道中間范圍內(nèi)，最大沉降值約5.5mm，差異沉降率為0.000318。

采取在樁頂施工加強(qiáng)連系梁和加強(qiáng)筏板的加固措施，并在加強(qiáng)梁和筏板下方采取注漿加固地基的方式，增加了樁頂處的整體性，可有效地降低樁基礎(chǔ)的最大沉降值以及差異沉降，可作為增加候車樓安全冗余度的措施。