盾構(gòu)隧道施工對火車站站房的影響分析

鄒文浩，付兵先，馬偉斌，杜曉燕，馬超鋒

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

盾構(gòu)隧道施工對火車站站房的影響分析

鄒文浩1，付兵先2，馬偉斌2，杜曉燕2，馬超鋒2

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

在火車站站房附近進行隧道開挖勢必會對站房結(jié)構(gòu)安全造成威脅，實際施工中主要通過經(jīng)驗方法來判斷房屋是否安全。本文以南昌軌道交通2號線下穿南昌火車站工程為背景，采用數(shù)值模擬方法分析盾構(gòu)隧道下穿施工引起的火車站站房沉降變形情況，房屋最大沉降為6.49mm，遠小于經(jīng)驗方法的沉降限值30mm，隨后采用改進的Boone方法預(yù)測站房受損情況，判定結(jié)果為隧道施工很可能造成站房結(jié)構(gòu)的輕微裂損。經(jīng)驗方法預(yù)測結(jié)果偏于不安全，應(yīng)在施工前采取加固保護措施對站房進行保護。

隧道開挖；房屋結(jié)構(gòu)；土體變形；數(shù)值模擬；小應(yīng)變剛度

為了提高城區(qū)火車站旅客疏散效率，緩解車站周邊區(qū)域交通壓力，目前已修建地鐵或已規(guī)劃地鐵線路的城市大都在火車站附近修建或規(guī)劃地鐵車站以實現(xiàn)城市軌道交通與國鐵車站之間的無縫化換乘［1］。隨著我國地鐵軌道交通的快速發(fā)展，地鐵區(qū)間隧道穿越火車站站場的工程逐漸增多，隧道下穿施工不僅會影響到站場內(nèi)行車安全，還會威脅到站場內(nèi)附屬建（構(gòu)）筑物的安全［2］。尤其是火車站站房，人員密度大，一旦出現(xiàn)裂損，會威脅人民群眾生命財產(chǎn)安全［3］。

本文以南昌軌道交通2號線下穿南昌火車站為例，研究盾構(gòu)隧道下穿施工對火車站站房的影響，并討論盾構(gòu)隧道下穿火車站站房的風險評估標準，為同類工程的風險評估提供參考。

1　工程概況

南昌市軌道交通2號線一期工程自南昌西火車站至玉帶河站，沿線分別穿越西客站規(guī)劃區(qū)、紅角洲片區(qū)、紅谷灘新區(qū)、舊城中心區(qū)，城東片區(qū)等，主要途經(jīng)南昌西站、國際體育中心、紅谷灘大學(xué)城、南昌中央商務(wù)CBD、陽明路、八一廣場、南昌火車站等大的客流集散點，不僅連通了新舊兩城的核心區(qū)域，還分別覆蓋了昌南老城與昌北新城南北向走廊上最重要的地區(qū)。

區(qū)間隧道雙線下穿火車站站場既有10股道、車輛段5股道、配件廠專用線1股道以及4組道岔，4個站臺，側(cè)穿火車站站房，與站房的凈間距為2.64m?；疖囌菊痉繛?層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)柱間距為6m，柱的尺寸為600mm（長）×600mm（寬），站房基礎(chǔ)采用人工挖孔擴底灌注樁，樁徑1.0m，樁長15.1m，擴底直徑為1.5～1.9m。

本場地地貌屬贛江二級階地，地形開闊，基本平坦，多為中軟土，地下水位較高。比較典型的地層由上而下為：①厚0.8～11.0m的人工填土，主要為素填土，少量雜填土；②粉質(zhì)黏土，厚度一般為0.6～8.7m，土質(zhì)一般較均一，局部含少量粉細砂、圓礫及有機質(zhì)；③細砂，礦物成分以石英為主，長石次之，級配一般，局部級配較差，含少量黏粉粒及圓礫；④礫砂，飽和，以稍密～中密狀為主，局部呈密實狀；⑤圓礫，以稍密～中密狀為主；⑥基巖主要為強風化砂礫巖，巖石風化強烈，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

2　有限元數(shù)值模擬

2.1土體本構(gòu)模型及參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用目前在工程實踐中應(yīng)用較為廣泛的摩爾-庫倫模型。該模型的優(yōu)點是比較適合巖土這種主要依靠顆粒間摩擦承受荷載的粒狀體材料，并且參數(shù)物理意義明確，其值可由簡單的土工試驗獲取，故在巖土工程勘察中廣泛采用［4］。土體參數(shù)依據(jù)勘察資料中各層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值（見表1），支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)參考類似工程取值（見表2）。

2.2隧道開挖模擬方法

本文采用分步開挖法［5］對盾構(gòu)掘進進行模擬。分步開挖法首先需要設(shè)置每次掘進的距離，從而把隧道分成多步進行挖掘。其流程（圖1）為：①把當前開挖段需要開挖的土體“殺死”；②然后在隧道掌子面和環(huán)面施加反向不平衡力，保持掌子面施加的力不變，環(huán)向力逐步釋放；③環(huán)向力釋放一定比例，在該開挖段環(huán)向施作襯砌，繼續(xù)釋放環(huán)向力，直至釋放完全，本開挖段開挖結(jié)束。

2.3三維數(shù)值模型

地鐵右線隧道和站房樁基的水平距離較小，取區(qū)間隧道側(cè)下方穿越站房。站房采用簡化模型模擬，由樓板、框架柱及樁基組成。站房沿隧道方向長35m，垂直于隧道方向長42m。樓板用Shell單元模擬，框架柱和樁基用Beam單元模擬。三維數(shù)值模型（圖2）中土體模型長92.0m，寬80.0m，高29.95m，隧道埋深10.95m，共劃分138720個單元，144268個節(jié)點。

數(shù)值模擬的具體步驟為：

1）建立數(shù)值模型網(wǎng)格，賦予土體參數(shù)，施加邊界條件，然后生成初始地應(yīng)力場；

2）在模型中加入用來模擬房屋的Shell單元和Beam單元，并設(shè)置好Shell單元和Beam單元之間的連接（剛性連接），在每層Shell單元上分級施加10kPa的均布荷載，進行計算使模型達到平衡；

3）位移清0，然后使用分步開挖法開挖隧道。2.4模擬計算結(jié)果

圖3顯示的是站房結(jié)構(gòu)位移情況。站房結(jié)構(gòu)的位移最大值為12.14mm，其中豎向分量即沉降為6.49mm。目前常用的經(jīng)驗方法認為，施工導(dǎo)致的地表沉降超過30mm時可致使地面建筑物裂損。

表1　土體參數(shù)

表2　支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

圖1　分步開挖法主要流程示意

圖2　三維數(shù)值模型

圖3　站房結(jié)構(gòu)位移（單位：m）

3　框架結(jié)構(gòu)房屋受損預(yù)測

3.1改進的Boone方法

目前較常用于房屋受損評估的方法主要有Burland方法［6-7］和Boone方法［8］，其中Boone方法比較適合用于框架結(jié)構(gòu)房屋受損評估，文獻［9］對該方法做了進一步改進以使其更符合實際情況。

改進的Boone方法大致思路為：

1）建立三維數(shù)值模型，充分考慮結(jié)構(gòu)物和土的相互作用，數(shù)值模擬得到結(jié)構(gòu)物的變形情況。

2）對框架結(jié)構(gòu)中每一榀框架的變形進行分析，如圖4所示。假定鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁和柱之間的連接為剛性連接，在隧道或基坑開挖的影響下，一榀框架的變形主要有剛體轉(zhuǎn)動角α和兩端柱的差異沉降Δ，可通過該榀框架4個角點（A，B，C，D）的位移求得。因梁長L與梁厚h比值較大，可以把其當成兩端固支的歐拉梁進行分析，求解得梁上任意一點的撓度。

圖4　一榀框架的變形示意

式中：uA，uB，uC，uD是角點A，B，C，D的水平位移；vA，vB，vC，vD是角點A，B，C，D的豎向位移。

3）由于框架柱軸向變形非常小，可以認為該榀框架上下兩根梁的變形基本一致。而填充墻的轉(zhuǎn)動受到兩端框架柱的限制，基本上隨著梁的變形而發(fā)生變形，且變形模式主要為純剪變形，可求得墻上任意一點的剪應(yīng)變γ。剪應(yīng)變的最大值γmax可由式（3）求出，通過式（4）可計算出主拉應(yīng)變εp，并參照表3預(yù)測房屋受損程度。式中：εx為框架梁軸向應(yīng)變，εy為框架柱軸向應(yīng)變。

表3　破損程度和主拉應(yīng)變之間的關(guān)系［10］

3.2預(yù)測結(jié)果

可依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果采用改進后的Boone方法對房屋與隧道掘進方向垂直的橫斷面上每一榀框架的變形進行計算，求得主拉應(yīng)變，定位主拉應(yīng)變最大的框架所在位置，并參照表3對框架結(jié)構(gòu)房屋的受損程度進行預(yù)測。

圖5顯示的是主拉應(yīng)變最大框架所在位置?？芍?，主拉應(yīng)變最大值位于地表沉降反彎點附近的區(qū)域，其值為0.067%，為非常輕微的破損，而計算得到的站房最大沉降為6.49mm，遠低于經(jīng)驗方法的沉降限值（30mm）。

圖5　主拉應(yīng)變最大框架所在位置

4　結(jié)語

1）經(jīng)驗方法在一定情況下會高估結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形的能力，故預(yù)測結(jié)果可能會偏于不安全。

2）站房結(jié)構(gòu)容易發(fā)生裂損的區(qū)域在地面沉降反彎點附近，在實際施工中應(yīng)對這部分區(qū)域特別關(guān)注。

3）對于火車站站房這類結(jié)構(gòu)安全性要求高的建（構(gòu)）筑物應(yīng)建立更加嚴苛的破壞判別標準。

［1］洪開榮.盾構(gòu)隧道穿越廣州火車站站場的設(shè)計與施工［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39（6）：34-37.

［2］李兆平，黃慶華，馬天文.大型鐵路站場的地鐵車站施工對線路變形影響的監(jiān)測分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（增2）：5569-5575.

［3］盧華喜，王漪璇，周珍偉，等.盾構(gòu)隧道下穿鐵路及火車站站房的影響分析［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2015，32（4）：25-32.

［4］劉英，于立宏.Mohr-Coulomb屈服準則在巖土工程中的應(yīng)用［J］.世界地質(zhì)，2010，29（4）：633-639.

［5］葉進賢.均質(zhì)與非均質(zhì)土層潛盾隧道開挖沉陷之有限元素分析［D］.臺北：國立中央大學(xué)土木工程研究所，2004.

［6］BURLAND J B，WROTH C P.Settlement of Buildings and Associated Damage［C］//Conference of Settlement of Structures Cambridge.London：Pentech Press，1974：611-654.

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［8］BOONE S J.Ground-movement-related Building Damage［J］. Journal of Geotechnical Engineering，1996，122（11）：886-896.

［9］鄒文浩.隧道開挖對周邊房屋影響及大直徑盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性研究［D］.北京：清華大學(xué)，2012.

［10］BOSCARDIN M D，CORDING E J.Building Response to Excavation-induced Settlement［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1989，115（1）：1-21.

AbstractT he safety of adjacent railway station building is inevitably impacted by tunneling.During construction，whether a building was safe or not was mainly judged by experience.Based on the project of Nanchang subway tunnel going through Nanchang railwaystation，numerical simulation was carried out toanalyze settlement deformation of railway station building induced by tunneling.T he maximum settlement of the building is 6.49 mm，much less than the empirical limit value 30 mm.T he damage of railway station building induced by tunneling was evaluated by improved Boone method.T he results show that tunnel excavation may cause minor damage.Empirical method may be risky.Protection measures and reinforcement shall be applied to the railway station building prior to tunneling.

Analysis on Influence of Shield-Tunnelling on Railway Station Building

ZOU Wenhao1，F(xiàn)U Bingxian2，MA Weibin2，DU Xiaoyan2，MA Chaofeng2
（1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Tunnel excavation；Building structure；Soil deformation；Numerical simulation；Small strain stiffness

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.18

1003-1995（2016）04-0068-04

（責任審編葛全紅）

2015-10-20；

2016-01-25

中國鐵道科學(xué)研究院基金項目（2015YJ039）

鄒文浩（1986—），男，博士研究生。