先隧后站施工對(duì)洞樁法車站中板的影響分析

魏晨亮

【摘要】為降低城市地鐵車站進(jìn)度對(duì)盾構(gòu)區(qū)間施工進(jìn)度的影響，盾構(gòu)區(qū)間大多采用先隧后站的施工工法，先隧后站[1]必然對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，根據(jù)盾構(gòu)穿越時(shí)洞樁法車站施工不同階段，產(chǎn)生影響不一;以正在修建的廣州地鐵某區(qū)間先隧后站為例，研究通過(guò)對(duì)盾構(gòu)近接施工有限元分析、隧道建模分析、盾構(gòu)過(guò)站對(duì)車站中板的影響分析，判斷盾構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)車站中板將產(chǎn)生不利影響，且在保證地層損失率的情況下可控制中板變形位移量，進(jìn)而降低盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)中板的影響程度。

【關(guān)鍵詞】洞樁法車站;盾構(gòu)先隧后站施工;結(jié)構(gòu)影響分析

隨著施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)工程的進(jìn)度要求越來(lái)越高，難度越來(lái)越大，城市繁華區(qū)暗挖車站施工與區(qū)間盾構(gòu)施工進(jìn)度嚴(yán)重不匹配，導(dǎo)致不得不采用先隧后站施工工法，但先隧后站對(duì)正在施工中的車站結(jié)構(gòu)必然造成一定影響，研究和分析影響范圍及危害，如何控制風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)研究先隧后站通過(guò)明挖車站且對(duì)地表沉降影響分析的較多，通過(guò)查閱資料顯示，研究先隧后站通過(guò)暗挖車站，分析對(duì)正在施工的暗挖車站的影響性分析無(wú)先例，常見(jiàn)的先隧后站是采用盾構(gòu)法修建暗挖車站[5]的施工技術(shù)。

經(jīng)實(shí)踐證明，該研究分析對(duì)中板結(jié)構(gòu)的影響，避免了潛在風(fēng)險(xiǎn)的危害，有利于指導(dǎo)施工，提前采取措施防范危害的發(fā)生，達(dá)到了安全、高效完成盾構(gòu)、車站施工的目的。

1、工程概況

某車站采用洞樁法施工，盾構(gòu)采用先隧后站通過(guò)，為地下二層島式站臺(tái)車站，全長(zhǎng)276m，埋深12.8m，上部地層主要為人工填土、粉質(zhì)粘土、局部夾粉細(xì)砂地層，拱頂?shù)貙又饕獮閺?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，洞身地層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

車站中板與盾構(gòu)開(kāi)挖面最小間距為1.26m，若盾構(gòu)在車站中板施工完成后通過(guò)，盾構(gòu)覆土將小于1m，屬超淺埋隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工[6]，盾構(gòu)開(kāi)挖輪廓與邊樁間距僅0.36m。

2、先隧后站工程的近接度和影響分區(qū)

本工程采取先隧后站方案，根據(jù)車站和盾構(gòu)施工的時(shí)間安排，盾構(gòu)下穿車站時(shí)，可能存在三種情形，其中在車站站廳層中板施工完成后，盾構(gòu)下穿時(shí)，盾構(gòu)與中板最近距離僅1.26m<0.3D（D=6.4m），近接度為“非常接近”，影響分區(qū)[4]屬于“強(qiáng)烈影響區(qū)”，施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，因此，須對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行較深入的分析，并采取相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施。

3、盾構(gòu)下穿施工有限元分析目的

根據(jù)國(guó)際隧道協(xié)會(huì)的研究結(jié)果以及國(guó)內(nèi)當(dāng)前盾構(gòu)下穿施工的實(shí)際情況可以看出，盾構(gòu)施工引起地層沉降的主要因素是地層損失[2]。地層損失一般采用GAP參數(shù)法確定，如圖所示。

根據(jù)Lee的定義

式中：Gp為盾構(gòu)外徑和襯砌之間的幾何凈空，它由盾尾厚度δ和滿足盾構(gòu)糾偏和拼裝襯砌的盾構(gòu)建筑空隙x構(gòu)成，即：

式中：D為盾構(gòu)外徑，d為襯砌外徑;盾構(gòu)建筑空隙x的大小決于盾構(gòu)制造和襯砌拼裝的允許誤差、便于盾構(gòu)偏離設(shè)計(jì)軸線時(shí)進(jìn)行水平及垂直方向的糾偏、便于襯砌拼裝工作的進(jìn)行。x的取值為30～60mm左右。一旦選定了盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)和襯砌系統(tǒng)，Gp的大小也就唯一確定了。

指由于開(kāi)挖面應(yīng)力釋放導(dǎo)致土體的三維變形，使得土體塌落到開(kāi)挖面造成的超挖土量。ω是指施工因素（包括盾構(gòu)的糾偏、上拋、叩頭、后退等）產(chǎn)生的土體損失。盾構(gòu)上拋推進(jìn)時(shí)ω值的計(jì)算公式：

式中：L為盾構(gòu)長(zhǎng)度;α為盾構(gòu)上拋時(shí)的仰角。

對(duì)于土壓力平衡盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)挖面處的變形相對(duì)于盾構(gòu)物理間隙而言可以忽略不計(jì)，而且在施工質(zhì)量得到有效控制的條件下ω 也可以認(rèn)為很小?？梢哉J(rèn)為ω ≡0 ，因此，GAP參數(shù)可以認(rèn)為：GAPGp

地層損失率的近似計(jì)算：

如果參考以上公式，并根據(jù)本工程數(shù)據(jù)，管片外徑6.4m，盾尾直徑6.63m，盾尾厚度40m，則

GAP=（7～10%）*（6.63-6.4）= （7～10%）230mm=（16～23）mm

將GAP均勻化處理，則管片半徑收縮8～12mm。對(duì)應(yīng)的地層損失率為0.5%～0.8%。

本研究將重點(diǎn)研究GAP位移對(duì)車站中板結(jié)構(gòu)的影響情況。

4、隧道與車站關(guān)系計(jì)算模型及車站施工流程

4.1計(jì)算模型

車站埋深12.8m，上部地層主要為人工填土、粉質(zhì)粘土、局部夾粉細(xì)砂地層，拱頂?shù)貙又饕獮閺?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，洞身地層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖石強(qiáng)度約20～30MPa。

根據(jù)工程概況地質(zhì)描述，選擇較為不利的剖面（地質(zhì)鉆孔位置），及最不利施工條件（車站中板施工完成后）建立如圖計(jì)算模型：

4.2計(jì)算參數(shù)

盾構(gòu)區(qū)間地層及車站結(jié)構(gòu)主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4.1、4.2、4.3。

5、盾構(gòu)過(guò)站對(duì)車站中板的影響分析

盾構(gòu)下穿對(duì)中板的影響主要受地層損失率[7]的影響和控制，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的盾構(gòu)施工技術(shù)水平情況，一般在0.3%～1%，在近距離下穿車站時(shí)，通過(guò)多種技術(shù)措施的采取，將地層損失率控制在0.3%以下時(shí)，則盾構(gòu)施工對(duì)中板的影響可控制在允許范圍內(nèi)。以下就地層損失率在0.23%時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

5.1地層移動(dòng)及地表沉降

車站施工中，典型階段的地層移動(dòng)情況如圖所示。

通有限元計(jì)算分析，在盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，車站地表最大沉降在24mm左右。

5.2盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，車站中板位移

左右線盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，中板的位移如圖5.4和圖5.5所示。

左線盾構(gòu)下穿中板時(shí)，中板最大位移5mm，右線盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，中板最大位移5mm。

5.3盾構(gòu)通過(guò)車站時(shí)中板應(yīng)力

左右線盾構(gòu)通過(guò)車站后，車站中板應(yīng)力矢量如圖5.9所示，從圖5.10可以看出，中板應(yīng)力以水平應(yīng)力為主（受壓為正，受拉為負(fù)）。

根據(jù)中板水平應(yīng)力[8]分布圖，中板主要以受壓為主，中板中部的上側(cè)最大壓應(yīng)力7.68MPa。在中板與鋼管樁連接處的板上緣位置，水平應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力在0.38MPa左右，小于1.57MPa（C35砼軸芯抗拉強(qiáng)度），不會(huì)引起板的開(kāi)裂。

結(jié)論：

（1）盾構(gòu)下穿地鐵車站施工有可能對(duì)車站結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不利影響，根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外既有部分工程實(shí)例的分析，須采取嚴(yán)格的施工對(duì)策。

（2）地層損失率在0.3%以下時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)引起的中板位移可控制在6mm以內(nèi)，因盾構(gòu)施工引起的中板拉應(yīng)力可控制在1.57MPa以內(nèi)，不會(huì)引起中板開(kāi)裂。

建議：

（1）建議在施工過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)中板應(yīng)力變化及其它結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)[9]，及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

（2）建議根據(jù)穿越地層變化情況，適時(shí)采取加固措施[10]，如在自穩(wěn)性較好全斷面硬巖情況下，無(wú)需加固。

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