新建隧道密貼下穿既有地鐵車站風(fēng)險(xiǎn)控制

吳志堅(jiān)

(福建巖土工程勘察研究院，福建福州 350001)

新建隧道密貼下穿既有地鐵線路工程風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)既有地鐵線路擾動(dòng)大，無法準(zhǔn)確判斷施工對(duì)既有線的影響程度，以及既有線的變形規(guī)律。另一方面，新建密貼下穿隧道的施工會(huì)引起既有線路軌道結(jié)構(gòu)變形，增加軌道結(jié)構(gòu)的不平順性。因此，需要對(duì)新建隧道密貼下穿既有地鐵線路風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行研究。

以某城市地鐵A號(hào)線某區(qū)間密貼下穿B號(hào)線某車站為例，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，剖析各種風(fēng)險(xiǎn)控制措施對(duì)既有車站變形的控制情況以及既有車站的變形規(guī)律，為類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

地鐵A號(hào)線某車站呈南北走向，采用單柱雙層雙跨暗挖車站，屬淺埋隧道，結(jié)構(gòu)形式為復(fù)合式襯砌。車站采用中洞法施工，未設(shè)變形縫。車站東西向?qū)?2.600m，高16.300m，中柱間距為6.8m。車站覆土層厚度約5.850m，底板埋深約22.000m。

地鐵B號(hào)線某區(qū)間隧道斷面尺寸為6.2m×6.7m，兩條區(qū)間隧道外邊緣最小間距為10.8m，與既有結(jié)構(gòu)的間距為0.408m，基本密貼下穿。新建區(qū)間與既有車站相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建區(qū)間與既有車站平面位置關(guān)系(單位:mm)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告資料，施工場(chǎng)地地層由人工堆積層和第四紀(jì)沉積的黏性土、粉土、砂土及碎石土交互而成，基巖埋深大于60m。施工場(chǎng)地存在四層地下水，類型分別為上層滯水、潛水、微承壓水和層間水。本工程潛水穩(wěn)定水位位于結(jié)構(gòu)底板以上，主要含水層為透水性很好的砂卵石層;微承壓水水位位于結(jié)構(gòu)底板附近，暗挖法施工時(shí)，必須采取有效的控制措施，控制土層流失和周圍土體變形，確保施工過程以及周邊影響范圍內(nèi)地面和地下設(shè)施的安全。

2 施工方案

本工程密貼下穿施工采用淺埋暗挖法。由于整個(gè)既有線車站結(jié)構(gòu)未設(shè)置變形縫，剛度相對(duì)較大，采取超前小導(dǎo)管注漿加固措施，加強(qiáng)中隔壁和鎖腳錨桿的強(qiáng)度，及時(shí)封閉初襯，可以有效控制既有車站的變形。

密貼下穿隧道開挖前，注漿加固新建密貼下穿隧道與既有車站結(jié)構(gòu)間的土體，注漿范圍寬42m，高10m。新建密貼下穿隧道采用CRD法開挖，若開挖過程遇未加固穩(wěn)定地層，隧道拱部打設(shè)單排小導(dǎo)管注漿加固。

3 有限元模型的建立

3.1 模型及假定

結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)，應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立地層－結(jié)構(gòu)三維有限元實(shí)體模型，進(jìn)行密貼下穿施工數(shù)值計(jì)算分析。在模型中，土體、既有車站結(jié)構(gòu)和新建隧道結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元Solid45單元進(jìn)行模擬。為了方便單元的劃分，引用了mesh200單元。

一般來講，淺埋暗挖隧道沿縱向開挖時(shí)對(duì)工作面前后的主要影響范圍分別為1.5D和3D(D為隧道跨度)，橫向主要影響范圍為3D。因此，本模型的范圍為沿既有線縱向100m，沿新建隧道縱向70m，深度為50m。模型計(jì)算時(shí)，土體四周及底部采用法向約束，地表為自由邊界。計(jì)算模型如圖2、圖3所示。

圖2 整體模型區(qū)域范圍

進(jìn)行盾構(gòu)下穿既有線模擬計(jì)算時(shí)，有如下基本假定:

①土體為各向同性、均勻的理想彈塑性體，簡(jiǎn)化地表和各層土體，使其均呈勻質(zhì)的水平層狀分布。

②初始地應(yīng)力在模型計(jì)算中只考慮土體自重應(yīng)力，不考慮地下水的影響;忽略巖土體構(gòu)造應(yīng)力，使巖土體在自重作用下達(dá)到平衡，而后再進(jìn)行盾構(gòu)施工的開挖。模型中所選用的地層參數(shù)參照工程地勘報(bào)告中所給出的土體參數(shù)。

圖3 理論分析模型

③假定既有鐵路的路基與軌道結(jié)構(gòu)變形一致，假定既有鐵路在施工前路基及軌道結(jié)構(gòu)處于良好狀態(tài)。

3.2 參數(shù)取值

根據(jù)實(shí)際工程中地質(zhì)勘查報(bào)告所提供的地層參數(shù)，模型中選擇土體參數(shù)時(shí)，對(duì)一定深度范圍內(nèi)巖土類別相近的巖土體進(jìn)行合并，并對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行綜合取值。各項(xiàng)參數(shù)取值如表1所示。

表1 實(shí)體模型參數(shù)

3.3 施工過程的模擬與實(shí)現(xiàn)

隧道開挖的效應(yīng)是通過“殺死”相應(yīng)土體單元來模擬，其模擬過程:隧道開挖每一個(gè)進(jìn)尺，“殺死”相應(yīng)的土體模擬隧道開挖效應(yīng)，然后“激活”代表襯砌實(shí)體單元的鋼筋混凝土屬性來模擬隧道襯砌。根據(jù)施工方案，施工模擬過程是先模擬一側(cè)隧道施工，再模擬另一側(cè)隧道施工，每側(cè)的模擬工序相同。

4 施工變形模擬分析

本工程的注漿加固范圍大，注漿加固工作室空間小，增加了注漿加固的難度，因此，在研究注漿加固控制既有車站變形時(shí)，首先對(duì)注漿加固后土體的強(qiáng)度折減為80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度，再按注漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

4.1 注漿加固未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，既有地鐵車站最大的豎向變形為4.060 mm，發(fā)生在新建隧道中心線對(duì)應(yīng)的既有車站底板處，方向下沉發(fā)生在工序十一;既有地鐵車站結(jié)構(gòu)最大的橫向變形為0.958 mm，發(fā)生在新建隧道中心線對(duì)應(yīng)的既有車站側(cè)墻處，方向與新建隧道的開挖方向相反，計(jì)算所得變形云圖如圖4、圖5所示。

圖4 既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

圖5 既有車站結(jié)構(gòu)橫向變形云圖

既有車站軌道結(jié)構(gòu)豎向變形均為沉降變形，最大沉降值約為3.9 mm，發(fā)生在新建區(qū)間隧道中心線對(duì)應(yīng)的上部既有車站軌道結(jié)構(gòu)處。由于既有車站沒有設(shè)置變形縫，軌道結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生差異沉降。既有車站軌道每10m弦長(zhǎng)的最大沉降值為2 mm，軌道沉降形成的最大沖擊角為0.5×10－3rad。變形曲線如圖6所示。

圖6 軌道結(jié)構(gòu)沿縱向豎向變形曲線

4.2 注漿加固達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，既有地鐵車站最大的豎向變形為2.772 mm，發(fā)生在新建隧道中心線對(duì)應(yīng)的既有車站底板處，方向下沉發(fā)生在工序十一;既有地鐵車站結(jié)構(gòu)最大的橫向變形為0.648 mm，發(fā)生在新建隧道中心線對(duì)應(yīng)的既有車站側(cè)墻處，方向與新建隧道的開挖方向相反。

如圖7所示，隨著新建密貼下穿區(qū)間隧道施工的進(jìn)行，既有車站結(jié)構(gòu)的豎向變形基本呈增加的趨勢(shì)，前3步工序施工引起的既有車站結(jié)構(gòu)的豎向變形較大，豎向變形值約為2.2 mm。隨著施工的繼續(xù)進(jìn)行，既有車站結(jié)構(gòu)的豎向變形穩(wěn)定在2.2 mm，但是既有車站結(jié)構(gòu)受到的影響區(qū)域不斷增加;前6步工序過后，單側(cè)區(qū)間隧道施工完畢，既有車站結(jié)構(gòu)最大的豎向變形值約為2.2 mm，發(fā)生在已經(jīng)施工完畢區(qū)間隧道上部的既有車站底板區(qū)域。另外一側(cè)區(qū)間隧道施工主要引起對(duì)應(yīng)的上部既有車站變形，兩新建區(qū)間隧道的凈距約為10m，兩區(qū)間隧道施工對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)變形影響的相互疊加值較小，最大疊加值約0.5 mm。因此，既有車站結(jié)構(gòu)的豎向變形約為2.7 mm，發(fā)生在首先施工的區(qū)間隧道對(duì)應(yīng)的上部既有車站底板處。

圖7 既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形隨施工變化情況

如圖8所示，既有車站結(jié)構(gòu)的橫向變形隨著密貼下穿區(qū)間隧道的施工，先增加然后減小，最后穩(wěn)定在0.5 mm。這是因?yàn)閰^(qū)間隧道在穿越既有車站的施工過程中，穿越前半段和后半段的土壓力卸載方向相反，會(huì)相互抵消一部分卸載的土壓力。

圖8 既有車站結(jié)構(gòu)橫向變形隨施工變化情況

對(duì)比圖5和圖6，新建密貼下穿隧道施工引起的既有車站結(jié)構(gòu)的變形效應(yīng)中，豎向變形效應(yīng)遠(yuǎn)大于橫向變形效應(yīng)。因此，在施工過程中，既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注，特別是軌道結(jié)構(gòu)的豎向變形。應(yīng)加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)豎向變形的監(jiān)測(cè)。

既有車站軌道結(jié)構(gòu)豎向變形均為沉降變形，最大沉降值約為2.5 mm，發(fā)生在新建區(qū)間隧道中心線對(duì)應(yīng)的上部既有車站軌道結(jié)構(gòu)。由于既有車站沒有設(shè)置變形縫，軌道結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生差異沉降。既有車站軌道每10m弦長(zhǎng)的最大沉降值為1.3 mm，軌道沉降形成的最大沖擊角為0.325×10－3rad。

從以上分析可以看出，在注漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，通過CRD施工方法，可以滿足相關(guān)的道床和軌道變形控制要求。

5 結(jié)論

對(duì)地鐵A號(hào)線密貼下穿既有地鐵B號(hào)先某車站進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了在CRD施工方法下新建區(qū)間對(duì)既有車站及軌道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，得到以下結(jié)論:

①新建隧道密貼下穿工程引起既有車站的變形主要為豎向變形，橫向變形很小，需要采取有效變形控制措施控制既有車站的豎向變形。

②既有車站結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置變形縫時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大，變形易于控制;采用超前注漿加固新建結(jié)構(gòu)與既有車站之間的土體，并采用CRD施工方法。同時(shí)，盡量減少臺(tái)階長(zhǎng)度，早封閉初支，加強(qiáng)中隔壁，能夠有效控制既有車站結(jié)構(gòu)的變形。

③注漿加固質(zhì)量是控制既有車站變形的關(guān)鍵，研究結(jié)果表明，注漿質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，會(huì)引起既有車站產(chǎn)生較大變形。因此，隧道開挖前應(yīng)對(duì)注漿加固質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，未達(dá)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

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