大直徑盾構(gòu)近距離穿越既有地鐵車站影響因素分析

繆敬慧 吳征然 繆敬智

1.北京地鐵建筑設(shè)施維護(hù)有限公司 北京 100036；2.北京市人防工程監(jiān)督站 北京 100036

本文依托工程某高鐵段隧道盾構(gòu)區(qū)間穿越既有M15車站所運(yùn)用的盾構(gòu)機(jī)是我國第一臺國產(chǎn)大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)，且其需穿越既有地鐵車站的工程在北京市也尚屬首次。因此，對其穿越地鐵車站引起既有結(jié)構(gòu)的沉降變形進(jìn)行研究具有重要的意義。

1 盾構(gòu)施工引起地面沉降的原因與機(jī)理

新建盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵車站的施工作業(yè)，盾構(gòu)隧道與原結(jié)構(gòu)之間不可避免的會出現(xiàn)相互影響。既有地鐵車站存在對新建盾構(gòu)隧道下穿施工的影響主要包括以下幾個方面[1]：

（2）既有地鐵車站結(jié)構(gòu)材料為高強(qiáng)度鋼筋混凝土，其剛度遠(yuǎn)大于周圍土體，將會對其周圍一定范圍內(nèi)地層的應(yīng)力場和位移場造成影響；

（3）在新建盾構(gòu)隧道下穿施工過程中，既有地鐵車站的存在一方面使地層的應(yīng)力場和位移場不同于天然自由場地層，另一方面，地鐵列車動荷載以及相應(yīng)的震動效應(yīng)均會對新建盾構(gòu)隧道的施工開挖產(chǎn)生不利的影響。

為此，盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道應(yīng)滿足以下要求：

（1）盡可能控制盾構(gòu)下穿施工對周圍地層的擾動，避免因地層變形引起既有地鐵車站結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力及變形過大，保證地鐵車站結(jié)構(gòu)安全；

（2）保證既有地鐵車站結(jié)構(gòu)整體沉降在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并減少結(jié)構(gòu)差異沉降，保證既有地鐵車站的正常運(yùn)營；

（3）下穿盾構(gòu)機(jī)能夠正常掘進(jìn)，保證新建盾構(gòu)隧道的安全施工。

2 工程概況

某隧道采用泥水平衡盾構(gòu)，線路線間距為23m，隧道南北向近似正交穿越M15號線，兩者平面交角約為88度，下穿段落隧道覆土厚度約為26.5m[1]。新建隧道結(jié)構(gòu)頂與地鐵車站結(jié)構(gòu)的豎向最小距離約為9.86m；與地鐵車站基坑圍護(hù)樁設(shè)計樁底的豎向最小距離約為6.3m，與地鐵車站基坑降水井設(shè)計井底的豎向距離最小約為0.96m。

高鐵隧道管片外徑10.5m，內(nèi)徑9.5m，管片環(huán)寬2m。隧道洞身所處地層主要為粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、砂性土。

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3 數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型的建立

兩隧道直徑為10m，總長150m，軸線間距23m，埋深為20m，地鐵車站在其上方10m處。模型整體尺寸為180m×150m×50m。采用10節(jié)點六面體單元離散土體，板單元模擬地鐵車站、1號車站出口、2號風(fēng)亭主體結(jié)構(gòu)，同時盾構(gòu)機(jī)外殼采用板單元模擬并考慮盾構(gòu)機(jī)開挖時的地層損失率[2]。土層分布根據(jù)當(dāng)?shù)氐目睖y資料確定，土體采用M-C本構(gòu)模型，并作如下假定：

（1）土體和隧道襯砌為均質(zhì)、各向同性材料；

（2）土體為彈塑性材料，滿足M-C彈塑性本構(gòu)模型；

（3）隧道襯砌為剛度均一的圓環(huán)。

土體參數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)監(jiān)測報告，取值如表1。

表2 車站結(jié)構(gòu)及隧道襯砌參數(shù)Tab.2Stationstructureandtunnelliningparameters

有限元模型中的泥水壓力及注漿壓力設(shè)置為沿隧道內(nèi)徑環(huán)向施加，圖2為模擬方式。為隧道的施工方式，先對左線隧道進(jìn)行開挖，分10步進(jìn)行；當(dāng)左線隧道開挖完成后進(jìn)行右線隧道的開挖，同樣分10步進(jìn)行。每步進(jìn)尺為15m，約為實際施工一天的進(jìn)尺[3]。

表1 土層參數(shù)及分布Tab.1Soilparametersanddistribution

本部分研究了隧道不同施工階段的內(nèi)力和位移狀態(tài)，主要分為三個研究階段：（1）隧道開挖30m處；（2）隧道開挖至車站正下方即模型中隧道開挖75m；（3）隧道全部施工完成。為了簡化模型提高計算效率，接下來的模擬均未考慮地層加固[4]。

3.2 不同泥水壓力對隧道位移的影響

圖3為不同泥水壓力下隧道的位移云圖。從圖中可以看出泥水壓力的改變對隧道的總位移影響較大。當(dāng)泥水壓力從100kPa變?yōu)?00kPa時，隧道的位移最大值從13.8mm變?yōu)?1.25mm。當(dāng)泥水壓力增長為300kPa時，隧道的位移最大值為10.83mm。三個級別的泥水壓力對應(yīng)的水平位移分別是6.71mm、4.67mm、2.79mm?？梢姡嗨畨毫λ淼牢灰频挠酗@著的影響。

拱頂位移的變化趨勢大致相似，但數(shù)值受泥水壓力影響較大。在100kPa泥水壓力下，拱頂最初隆起僅0.56mm，且最終沉降為5mm；當(dāng)泥水壓力為300kPa時，拱頂最初隆起為1.44mm，最終沉降為4.2mm。由此可見，增大泥水壓力可以有效地減小拱頂沉降。

地表在平行于開挖掌子面方向上沿左線隧道中心線、右線隧道中心線的沉降分布。當(dāng)泥水壓力為100kPa時，兩線隧道中心線處地表沉降約為-1.1mm；當(dāng)泥水壓力為200kPa時，兩線隧道的最大地表沉降減小到約-0.7mm；當(dāng)泥水壓力為300kPa時，兩線隧道的最大地表沉降減小到約-0.2mm?？梢?，增大泥水壓力可以有效的減小地表沉降。

3.3 地層損失率對開挖面及既有車站變形的影響分析

本節(jié)主要分析不同地層損失率下隧道襯砌的內(nèi)力變化及對上方車站的相應(yīng)影響。研究中地層損失率選取0.1、0.3、0.5三個級別。

圖4為不同地層損失率下隧道的位移云圖。從圖中可以看出，地層損失率的改變對隧道的位移影響與內(nèi)力相似。當(dāng)?shù)貙訐p失率從0.1變?yōu)?.3時，隧道的位移最大值從11.25mm變?yōu)?1.92mm。當(dāng)?shù)貙訐p失率增長為0.5時，隧道的位移最大值為33.92mm。三個級別的地層損失率對應(yīng)的水平位移分別是4.67mm、6.6mm、13.59mm?？梢姡貙訐p失率對隧道位移的影響十分顯著。

車站下方的隧道拱頂處隨著隧道開挖的進(jìn)程而產(chǎn)生的位移變化。拱頂位移的變化趨勢大致相似，但數(shù)值受地層損失率影響較大。三種不同底層損失率下，拱頂最初隆起相差不大，但地層損失率為0.1時，最終沉降為4.6mm，而地層損失率為0.3或者0.5時，拱頂沉降分別為12.1mm和18.5mm。同時，地層損失率越大，施工過程中拱頂位移的波動也越大。

圖5為地表在平行于開挖掌子面方向上沿左線隧道中心線、右線隧道中心線的沉降分布。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.1時，兩線隧道中心線處地表沉降約為0.7mm；當(dāng)?shù)貙訐p失率增大至0.3時，兩線隧道的最大地表沉降增大到約-3.9mm；當(dāng)?shù)貙訐p失率增大至0.5時，兩線隧道的最大地表沉降增大到約-7mm?？梢?，地層損失率對地表沉降有十分顯著的影響[2]。

4 結(jié)語和建議

本文結(jié)合隧道盾構(gòu)施工的工程背景，采用有限元軟件Plaxis3D對盾構(gòu)近距離穿越既有地鐵車站施工進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要完成了以下工作：

（1）以隧道內(nèi)力、隧道位移、及地表和車站位移為主要指標(biāo)，分析了泥水壓力的改變對開挖面及既有車站的影響規(guī)律。結(jié)果表明車站的位移與盾構(gòu)隧道近接程度密切相關(guān)，越靠近盾構(gòu)隧道的部分沉降變形越大。

（2）泥水壓力從100kPa增加到200kPa時增大泥水壓力可有效降低車站結(jié)構(gòu)沉降變形，超過200kPa時，影響效果不大。

（3）地層損失率的改變顯著影響地表和既有車站的變形。當(dāng)?shù)貙訐p失率分別為0.1、0.3和0.5時，車站位移分別為7.7mm、11.3mm和14.1mm，車站位移隨著地層損失率的增大顯著增大。

工程中控制隧道拱頂和地表及車站沉降變形可從設(shè)置合理泥水壓力，降低地層損失率，調(diào)整注漿材料彈性模量、注漿壓力、注漿量等方面進(jìn)行控制。在實際工程中可采取以下措施進(jìn)行控制[3]：

（1）在盾構(gòu)機(jī)穿越地鐵車站前，選擇相似地層條件的地段設(shè)置試驗段，確分析并掌握盾構(gòu)掘進(jìn)過程的影響范圍，各施工參數(shù)如泥水壓力、泥漿比重、盾構(gòu)掘進(jìn)扭矩、推力、掘進(jìn)速度、注漿量等與控制地面沉降、地層變形的對應(yīng)關(guān)系，總結(jié)合理的穿越施工參數(shù)。

（2）盾構(gòu)機(jī)穿越車站前進(jìn)行一次停機(jī)，對盾構(gòu)機(jī)及其配套設(shè)備維修保養(yǎng)、更換刀盤刀具、檢修泥水處理系統(tǒng)，避免盾構(gòu)過程中發(fā)生停機(jī)檢修。

（3）加強(qiáng)壁后注漿管理，選擇固結(jié)后彈性模量大的注漿漿液填充壁后空隙，控制地層損失，降低地面及既有車站沉降變形。

（4）減小地面沉降，最主要的是控制刀盤倉泥水壓力值和注漿壓力及注漿量。泥水壓力應(yīng)比理論計算的靜止水土壓力之和多提高0.2bar，注漿壓力一般大于同等埋深的泥水倉壓力0.3-0.5bar，并隨泥水倉壓力的變化而變化，注漿量的一般控制在理論注漿量的1.8-2.2倍之間。

（5）加強(qiáng)工程實施過程的實時監(jiān)測，通過VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)糾偏及掘進(jìn)方向的控制，規(guī)定每環(huán)水平、垂直方向糾偏量，防止糾偏量過大造成地層擾動過大，導(dǎo)致既有車站結(jié)構(gòu)沉降增大。