盾構(gòu)法下穿既有地鐵車站變形影響分析

王旭聲，錢 行，閆路恒

（鄭州市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450045）

為解決城市交通擁堵問(wèn)題，軌道交通工程在城市建設(shè)中快速發(fā)展，形成了密集的地下交通網(wǎng)絡(luò)。新建地鐵線路不可避免與既有線路交叉，為保證既有車站的安全運(yùn)營(yíng)，新建區(qū)間隧道工程常采用盾構(gòu)法施工，以控制對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的變形影響。文章采用地層-結(jié)構(gòu)模型，以鄭州市軌道交通三號(hào)線工程二七廣場(chǎng)站—順城街站區(qū)間盾構(gòu)下穿既有一號(hào)線二七廣場(chǎng)站為例，基于ANSYS軟件計(jì)算盾構(gòu)下穿施工引起的既有車站結(jié)構(gòu)變形，分析盾構(gòu)下穿施工中既有車站結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間下穿既有車站工程施工提出建議。

1 工程概況

二七廣場(chǎng)站—順城街站區(qū)間，位于鄭州市解放路和西大街下方，是鄭州市軌道交通三號(hào)線區(qū)間工程，線路出三號(hào)線換乘站后下穿地鐵一號(hào)線二七廣場(chǎng)站。區(qū)間隧道襯砌圓環(huán)內(nèi)徑為5.2m、外徑為6.2m，管片厚度為0.35m，鋼筋混凝土管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50。一號(hào)線二七廣場(chǎng)站為地下兩層雙柱三跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)度為273.8m，寬度為21.7m，采用明挖和局部蓋挖順筑施工，現(xiàn)階段已正常運(yùn)營(yíng)且客流量大。

工程場(chǎng)地屬于黃河沖積平原，地形平坦，附近無(wú)地表水體分布且無(wú)地面塌陷、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)間隧道在換乘節(jié)點(diǎn)處下穿一號(hào)線二七廣場(chǎng)站，盾構(gòu)管片頂與車站底板底的距離約為1.59m。由于一號(hào)線車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1200mm@1500mm鉆孔灌注樁，三號(hào)線車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)在換乘節(jié)點(diǎn)處采用厚度為600mm的地連墻，區(qū)間隧道工程施工需依次穿過(guò)三號(hào)線車站地連墻和一號(hào)線車站圍護(hù)樁。在車站間盾構(gòu)端頭位置進(jìn)行土體加固，加固范圍沿線路縱向10m、橫向23m。區(qū)間隧道與車站空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與車站空間位置關(guān)系圖

2 模型計(jì)算

2.1 模型構(gòu)建

根據(jù)地層和結(jié)構(gòu)相互作用方式的不同，地下結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型可分為荷載-結(jié)構(gòu)模型、地層-結(jié)構(gòu)模型。在外部荷載明確、結(jié)構(gòu)在承載穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用的情況下，可采用荷載-結(jié)構(gòu)模型對(duì)結(jié)構(gòu)承載進(jìn)行計(jì)算；在圍巖具有一定自承能力、考慮地層和結(jié)構(gòu)共同承載作用的情況下，可采用地層-結(jié)構(gòu)模型對(duì)結(jié)構(gòu)承載、地層變形進(jìn)行計(jì)算?？紤]圍巖土層的承載能力和約束作用，文章采用地層-結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算盾構(gòu)區(qū)間下穿施工中既有車站的結(jié)構(gòu)變形。

巖土材料是多相顆粒材料，其力學(xué)特性有非線性、各向異性等性質(zhì)，工程中采用近似假設(shè)的力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。目前，巖土材料常用的本構(gòu)模型有Duncan-Chang模型、Mohr-Coulomb準(zhǔn)則、HS模型等，其中Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為彈塑性模型，能較好地模擬巖層和土體的強(qiáng)度問(wèn)題，多用于計(jì)算巖層變形、邊坡穩(wěn)定分析等問(wèn)題。文章采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為土層的本構(gòu)模型，計(jì)算盾構(gòu)區(qū)間下穿施工中既有車站的結(jié)構(gòu)變形。

目前，常用于有限元分析的大型計(jì)算軟件有ANSYS、Midas、Flac等，其中ANSYS是可進(jìn)行多場(chǎng)計(jì)算的大型通用有限元分析軟件，在航空航天、土木工程、機(jī)械制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。文章采用ANSYS軟件建立有限元模型，土體采用實(shí)體單元，車站結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用殼單元，計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。地表取為自由邊界，其他五個(gè)面均約束其法向變形。

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2.2 材料參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，計(jì)算模型采用②21粉質(zhì)黏土、②32砂質(zhì)粉土、②33黏質(zhì)粉土、②41粉砂、②51粉質(zhì)黏土作為土層結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)地質(zhì)參數(shù)綜合統(tǒng)計(jì)表，并參考鄭州地區(qū)其他相關(guān)工程的地質(zhì)資料，確定計(jì)算模型中各地層的物理力學(xué)參數(shù)，圍護(hù)樁及地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)按建設(shè)期混凝土標(biāo)號(hào)選取。土層及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

表1 土層及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.3 模擬工序

為準(zhǔn)確模擬施工步驟和計(jì)算結(jié)構(gòu)變形，計(jì)算共設(shè)置33個(gè)步序：第0步序模擬初始地應(yīng)力，進(jìn)行原始地層位移清零；第1步序模擬破除三號(hào)線車站左線地連墻；第2步序模擬盾構(gòu)掘進(jìn)穿過(guò)左側(cè)加固土，破除一號(hào)線車站圍護(hù)樁；第3～17步序模擬盾構(gòu)左線施工，每次掘進(jìn)9m，在掌子面上施加頂推力，襯砌上一步序管片；第18步序模擬破除三號(hào)線車站右線地連墻；第19步序模擬盾構(gòu)掘進(jìn)穿過(guò)左側(cè)加固土，破除一號(hào)線車站圍護(hù)樁；第20～32步序模擬盾構(gòu)右線施工，每次掘進(jìn)9m，在掌子面上施加頂推力，襯砌上一步序管片。盾構(gòu)左、右線下穿施工步序，如圖3、圖4所示。

圖3 步序1～17盾構(gòu)左線下穿圖

圖4 步序18～32盾構(gòu)右線下穿圖

2.4 計(jì)算結(jié)果

各工序引起既有地鐵一號(hào)線車站的豎向變形結(jié)果如表2所示。各工序引起既有地鐵一號(hào)線車站的橫向變形結(jié)果如表3所示。

分析計(jì)算結(jié)果可得，新建三號(hào)線區(qū)間施工對(duì)既有地鐵一號(hào)線車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定程度的豎向變形和橫向變形，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。盾構(gòu)下穿施工中既有車站結(jié)構(gòu)的豎向變形逐漸增大，最大變形值為5.872mm，車站西側(cè)結(jié)構(gòu)側(cè)墻下沉，發(fā)生在第32步序，如圖5所示。盾構(gòu)下穿施工中既有車站結(jié)構(gòu)的橫向變形逐漸增大，最大變形值為1.335mm，車站西側(cè)結(jié)構(gòu)頂板外傾，發(fā)生在第32步序，如圖6所示。通過(guò)分析結(jié)構(gòu)變形規(guī)律可得，隨隧道下穿施工既有車站結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大，增加幅度逐漸減小，隨盾構(gòu)下穿施工完成車站結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定。

表2 地鐵一號(hào)線車站的豎向變形結(jié)果

表3 地鐵一號(hào)線車站的橫向變形結(jié)果

3 結(jié)論

文章基于ANSYS軟件，以鄭州市軌道交通三號(hào)線工程二七廣場(chǎng)站—順城街站區(qū)間盾構(gòu)下穿既有一號(hào)線二七廣場(chǎng)站為例，通過(guò)建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算了盾構(gòu)下穿施工中既有車站結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形，分析了既有車站結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。結(jié)果表明，隨盾構(gòu)下穿施工既有車站結(jié)構(gòu)的豎向、橫向變形逐漸增大，增加幅度逐漸減小，當(dāng)盾構(gòu)下穿至結(jié)構(gòu)側(cè)墻位置時(shí)，車站結(jié)構(gòu)變形幅度最大。為確保既有車站的安全運(yùn)營(yíng)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件制定合理的設(shè)計(jì)和施工方案，嚴(yán)格控制車站結(jié)構(gòu)變形和地面沉降。主要結(jié)論如下：（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)“分層、分塊、分步”進(jìn)行鑿除，及時(shí)架設(shè)腳手架以保證掌子面穩(wěn)定，不可超破，待加固土體檢測(cè)合格后方可進(jìn)行施工。（2）盾構(gòu)機(jī)磨樁的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)出渣情況對(duì)掘進(jìn)參數(shù)和螺旋轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)可對(duì)螺旋機(jī)內(nèi)渣土進(jìn)行改良。（3）盾構(gòu)下穿車站過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力、出土量等參數(shù)，同時(shí)調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，避免因注漿壓力過(guò)大或姿態(tài)偏差引起風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 步序32車站豎向變形云圖

圖6 步序32車站橫向變形云圖