楊毅秋,張繼清

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院,天津 300251)

近年來(lái),隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展,出現(xiàn)大量在既有地下結(jié)構(gòu)周圍修建新的地鐵、鐵路隧道等工程現(xiàn)象,且規(guī)模越來(lái)越大,距離越來(lái)越近。這勢(shì)必造成新建結(jié)構(gòu)對(duì)既有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的影響關(guān)系,對(duì)既有結(jié)構(gòu)受力和變形不利。在地下結(jié)構(gòu)近接施工中,新建結(jié)構(gòu)的施工會(huì)改變既有結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),如結(jié)構(gòu)承載力下降、變形過(guò)大導(dǎo)致侵限,都將使既有結(jié)構(gòu)正常運(yùn)營(yíng)受到影響。因此有必要對(duì)新建結(jié)構(gòu)的整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行分析,計(jì)算既有結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的應(yīng)力變化及變形過(guò)程,對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估[1]。盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境變形影響主要有以下幾個(gè)方面。

(1)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中平衡掌子面壓力：盾構(gòu)機(jī)掌子面壓力一般控制在1.0倍[2]地層水平應(yīng)力左右,并隨著掘進(jìn)過(guò)程不斷調(diào)整[3]。

(2)盾構(gòu)機(jī)與管片之間的盾尾建筑間隙：盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑較盾構(gòu)主機(jī)直徑略大,而管片直徑小于盾構(gòu)主機(jī)直徑,這就造成管片與開(kāi)挖斷面之際存在一定空間,即盾尾間隙。施工過(guò)程中采用盾尾同步注漿填充盾尾間隙,但受同步注漿壓力、漿液的凝膠時(shí)間及強(qiáng)度等因素的影響,該間隙也是影響周邊環(huán)境變形的主要方面之一。與隧道斷面面積之間的差用土體損失表示,而單延米土體損失與斷面面積的比值定義為土體損失率。土體損失率一般在0.5%～1.5%之間[4]。

(3)管片結(jié)構(gòu)受力變形。

目前,盾構(gòu)施工引起土層變形的預(yù)測(cè)方法主要有經(jīng)驗(yàn)法[5]、解析法[6～7]和有限元法[8]等。經(jīng)驗(yàn)法主要是Peck公式[5],該法假定地面沉降的橫向分布類似正態(tài)分布曲線,該公式中參數(shù)的選取帶有經(jīng)驗(yàn)性,未考慮土層條件和施工過(guò)程,且不能預(yù)測(cè)土層內(nèi)部的位移場(chǎng)分布。解析法也存在預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)測(cè)值偏大等問(wèn)題。有限元法不僅能夠反映土層性質(zhì)的影響,還能對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行不同程度的模擬,且能得到不同深度土層的沉降、側(cè)向位移以及地層的變形過(guò)程[9],對(duì)于城市地下結(jié)構(gòu)這種地質(zhì)條件、周邊環(huán)境都很復(fù)雜的工程更為適用,因此在盾構(gòu)隧道施工分析中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文考慮盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境的影響評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮實(shí)際工程情況的基礎(chǔ)上,對(duì)上述3個(gè)主要影響進(jìn)行分析,確定施工措施。

1 工程概況

某鐵路雙線盾構(gòu)隧道在城市繁華路段下穿現(xiàn)正在施工建設(shè)的地鐵4號(hào)線某車站。隧道外徑11.97 m,采用泥水盾構(gòu)施工。隧道覆土為29.2 m,隧道頂與地鐵4號(hào)線結(jié)構(gòu)底板之間預(yù)留4.94～6.07 m土柱,施工期間對(duì)地鐵4號(hào)線該車站的直接影響范圍為結(jié)構(gòu)兩變形縫之間的12 m段落。車站為三拱兩柱雙層站,車站結(jié)構(gòu)寬22.9 m。4號(hào)線底板施作了板凳樁加固地層(圖1),為盾構(gòu)隧道施工預(yù)留條件。地鐵2號(hào)線為已運(yùn)行10年的地鐵線路,該段與新建隧道平行,水平凈距11.4 m,垂直凈距17 m,垂直上穿4號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)。地鐵2號(hào)線車站為兩柱三跨單層站,車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m。盾構(gòu)與既有車站結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)過(guò)站板凳樁預(yù)加固措施

圖2 盾構(gòu)與既有車站結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系

計(jì)算模型為取一定邊界范圍內(nèi)的土體、地鐵結(jié)構(gòu)、隧道作為分析對(duì)象,采用地層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行三維彈塑性計(jì)算,模擬盾構(gòu)隧道施工過(guò)程。計(jì)算模型選取的計(jì)算范圍考慮到近接施工的有效影響范圍及合理的計(jì)算規(guī)模,選取豎向66 m,橫向70 m,縱向60 m。

2 計(jì)算假定及過(guò)程模擬

2.1 計(jì)算假定

(1)假定計(jì)算邊界處不受隧道開(kāi)挖的影響,即該處為靜止的原始應(yīng)力狀態(tài),變形為零,用約束來(lái)模擬。

(2)計(jì)算寬度取從隧道邊墻處往外不小于2.5倍的隧道寬度。

(3)盾尾間隙內(nèi)的同步注漿采用等代層模擬。

(4)注漿加固土的力學(xué)參數(shù)在原土層參數(shù)基礎(chǔ)上適當(dāng)提高。

(5)變形縫處用空氣單元代替,認(rèn)為變形縫兩邊的結(jié)構(gòu)變形完全獨(dú)立。

2.2 過(guò)程模擬

(1)初始地應(yīng)力

初始地應(yīng)力由有限元法計(jì)算,即將自重荷載轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算初始地應(yīng)力場(chǎng)。

(2)分步施工模擬

計(jì)算中采用分步來(lái)模擬施工過(guò)程,每一個(gè)分步是指一個(gè)相對(duì)完整的施工階段。

對(duì)各施工階段的狀態(tài),有限元分析的表達(dá)式為

[K]i{Δδ}i={ΔFr}i+{ΔFg}i+{ΔFp}i

(i為施工步數(shù))

盾構(gòu)施工模擬分為3個(gè)部分,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中平衡掌子面壓力；管片脫離盾尾,同步注漿及盾尾間隙導(dǎo)致地層下沉變形；最終襯砌的結(jié)構(gòu)受力。地層分布及結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 地層分布及結(jié)構(gòu)模型(盾構(gòu)區(qū)間、注漿加固區(qū)及地鐵車站結(jié)構(gòu))

選取的各土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

施工步驟分為5個(gè)開(kāi)挖步,共11個(gè)計(jì)算步完成,具體計(jì)算過(guò)程如下。開(kāi)挖步驟如圖4所示。

圖4 開(kāi)挖步驟

步驟1：施加重力,模擬注漿加固,計(jì)算形成初始應(yīng)力場(chǎng)。

步驟2：掘進(jìn)12 m,采用等代地層來(lái)模擬盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面土體的移動(dòng)和土體擠入盾尾空隙的施工影響。

步驟3：施加管片襯砌。

步驟4：繼續(xù)向前掘進(jìn)至24 m,采用等代地層來(lái)模擬盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面土體的移動(dòng)和土體擠入盾尾空隙的施工影響。

步驟5：施加管片襯砌。

步驟6：繼續(xù)向前掘進(jìn)至42 m,采用等代地層來(lái)模擬盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面土體的移動(dòng)和土體擠入盾尾空隙的施工影響。

步驟7：施加管片襯砌。

步驟8：繼續(xù)向前掘進(jìn)至48 m,采用等代地層來(lái)模擬盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面土體的移動(dòng)和土體擠入盾尾空隙的施工影響。

步驟9：施加管片襯砌。

步驟10：掘進(jìn)至另一端,采用等代地層來(lái)模擬盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面土體的移動(dòng)和土體擠入盾尾空隙的施工影響。

步驟11：施加管片襯砌。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中近接地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

盾構(gòu)進(jìn)入2、4號(hào)線車站前及穿越車站后的結(jié)構(gòu)豎向位移如圖5所示，盾構(gòu)剖面豎向變形如圖6所示。

圖5 盾構(gòu)進(jìn)入2、4號(hào)線車站前及穿越車站后的結(jié)構(gòu)豎向位移

圖6 盾構(gòu)剖面豎向變形云圖

3.2 開(kāi)挖結(jié)束后沿車站結(jié)構(gòu)縱向各路徑選取

計(jì)算結(jié)果路徑選取如圖7所示。

圖7 計(jì)算結(jié)果路徑選取

4號(hào)線地鐵車站路徑1及2號(hào)線路徑3變形匯總?cè)绫?所示。

表2 4號(hào)線地鐵車站路徑1及2號(hào)線路徑3變形匯總 mm

地表變形路徑選取如圖8所示，地表變形匯總見(jiàn)表3。

表3 地表變形匯總

圖8 地表變形路徑選取

3.3 結(jié)果分析

(1)4號(hào)線車站結(jié)構(gòu)的最大沉降位于盾構(gòu)隧道最上方的雙層結(jié)構(gòu)處,結(jié)構(gòu)沉降最大值是6 mm。車站橫斷面底板跨度22.9 m,最大差異沉降4 mm。

(2)2號(hào)線車站結(jié)構(gòu)的最大沉降位于結(jié)構(gòu)離盾構(gòu)隧道最近處,結(jié)構(gòu)沉降最大值5 mm,車站橫向最大差異沉降3 mm,車站結(jié)構(gòu)為扭轉(zhuǎn)變形。

(3)地表沉降最大值位于盾構(gòu)隧道頂點(diǎn)上方,地表最大沉降為10 mm。

(4)分析結(jié)果中4號(hào)線車站變形縫處的最大差異沉降差為0.02 mm。

(5)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化值不超過(guò)12%。

4 結(jié)論

采用盾構(gòu)進(jìn)行近接施工的關(guān)鍵是盡量減小對(duì)地層擾動(dòng),減少盾尾間隙產(chǎn)生的土體損失。[10]對(duì)于本工程穿越的砂卵石地層,掘進(jìn)過(guò)程中容易產(chǎn)生大的擾動(dòng),需要進(jìn)行洞內(nèi)或地表的加固措施。通過(guò)對(duì)4號(hào)線地鐵車站底板盾構(gòu)下穿范圍的板凳樁及注漿預(yù)加固,車站結(jié)構(gòu)差異變形和應(yīng)力變化都能得到有效控制。計(jì)算模型中的變形縫有效地阻斷了變形的連續(xù)性,2號(hào)線車站位于變形縫另一側(cè),變形較小。

盾構(gòu)下穿4號(hào)線車站段時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度,并采取管片背后二次注漿加固措施,對(duì)周圍地層進(jìn)行加固,并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

三維有限元模擬比較真實(shí)、系統(tǒng)地反映出施工過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)的空間時(shí)空效應(yīng),計(jì)算結(jié)果證明采取有針對(duì)性的工程措施的前提下,隧道近鄰施工是可行的,為將來(lái)類似工程提供了借鑒。

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