康永勝

(鄭州市軌道交通有限公司，河南鄭州 450046)

0 引言

盡管盾構(gòu)法的機(jī)械化程度高、地層適應(yīng)能力強(qiáng)，且已被廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)中，但盾構(gòu)施工會(huì)引起上覆土層變形，因此，盾構(gòu)近距離穿越既有隧道、管線、鐵路、建筑物和橋墩基礎(chǔ)等引起的不利影響已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一［1］。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工穿越問(wèn)題展開(kāi)了大量研究:Peck［2］于1969年首次提出地層損失的概念，并建議用Gauss分布函數(shù)(即Peck公式)描述盾構(gòu)施工引起的地表沉降;李東海等［3］研究了盾構(gòu)隧道斜交下穿既有地鐵車站引起的沉降影響;彭坤等［4］研究了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)承臺(tái)樁基工作性狀的影響，分析了2種不同的加固方法對(duì)地表和樁身變形的控制;王建秀等［5］研究了超大直徑盾構(gòu)下穿保護(hù)建筑群地面沉降規(guī)律;孫長(zhǎng)軍等［6］以北京地鐵十四號(hào)線的大直徑土壓平衡盾構(gòu)穿越建筑物施工為例，利用數(shù)值模擬對(duì)建筑物沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析;李旺旺等［7］以北京昌平線二期工程盾構(gòu)側(cè)穿橋梁為例，采集橋樁和地表沉降變化數(shù)據(jù)，結(jié)合盾構(gòu)推進(jìn)土壓和注漿量，分析了橋樁及橋梁周邊地表在不同階段的沉降變形情況。

目前許多文獻(xiàn)對(duì)地鐵盾構(gòu)下穿既有建(構(gòu))筑物進(jìn)行了數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)分析，但未見(jiàn)關(guān)于下穿加油站的研究報(bào)道。鄭州地鐵1號(hào)線的03區(qū)間標(biāo)段盾構(gòu)施工需下穿1個(gè)加油站，儲(chǔ)油罐距離盾構(gòu)隧道很近，屬Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，本文提出針對(duì)性的盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施，利用ANSYS軟件對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程引起的地表和儲(chǔ)油罐沉降進(jìn)行了計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證明了該控制措施的可行性。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

鄭州地鐵1號(hào)線03區(qū)間的左線長(zhǎng)度為1 426單線延米，右線長(zhǎng)度為1 448單線延米，左線短鏈為22 m，該區(qū)間下穿1個(gè)加油站，加油站儲(chǔ)油罐距離盾構(gòu)始發(fā)井45 m，平面位置如圖1所示。

圖1 地鐵線路與加油站的平面示意圖Fig.1 Plan sketch showing relationship between Metro line and oil station

1.2 儲(chǔ)油罐參數(shù)

加油站共平行布置3個(gè)埋地儲(chǔ)油罐，中心間距為5.0 m，尺寸相同，容積均為50 m3，其形狀可簡(jiǎn)化為兩端為半球體、中間為圓柱體的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，罐體總長(zhǎng)為9.25 m，內(nèi)徑為 1.4 m，筒體壁厚為 8.0 mm，封頭壁厚為10.0 mm，儲(chǔ)油罐中心距離地表4.0 m(儲(chǔ)油罐與地表凈距為2.52 m)，儲(chǔ)油罐的縱向剖面如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)油罐縱剖面圖(單位:m)Fig.2 Longitudinal profile of oil tank(m)

1.3 盾構(gòu)施工條件

區(qū)間盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)由鋼筋混凝土制成，混凝土材料為C50，管片環(huán)外直徑為6.0 m，內(nèi)直徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m，幅寬為1.5 m。管片結(jié)構(gòu)由1個(gè)封頂塊、2個(gè)鄰接塊和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)筑成襯砌環(huán)，2個(gè)盾構(gòu)隧道中心間距為13.9 m，凈距為7.9 m，盾構(gòu)隧道中心埋深均為15.5 m，儲(chǔ)油罐的軸線與盾構(gòu)的軸線垂直，3個(gè)儲(chǔ)油罐與左線盾構(gòu)隧道的豎向凈距為7.0 m，水平凈距為2.7 m，盾構(gòu)隧道與儲(chǔ)油罐的橫截面如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道與儲(chǔ)油罐的橫截面圖(單位:m)Fig.3 Profile showing relationship between shield-bored tunnel and oil tank(m)

1.4 盾構(gòu)下穿施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

該加油站的儲(chǔ)油罐總?cè)莘eV為150 m3(120＜V＜180)，根據(jù)GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》［8］判定該加油站屬于一級(jí)加油站。由于儲(chǔ)油罐與盾構(gòu)隧道距離很近，根據(jù)GB 50652—2011《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》［9］，盾構(gòu)施工下穿該加油站的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定為Ⅰ級(jí)，因此，必須采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程控制措施

土體開(kāi)挖臨空面，在土壓力的作用下，土體側(cè)向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，引起地層損失從而誘發(fā)盾構(gòu)隧道上方的地面沉降;因此，為控制地面沉降，采用的盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)和措施如下。

1)為減小2個(gè)盾構(gòu)施工的疊加影響，先進(jìn)行左線盾構(gòu)掘進(jìn)施工，再進(jìn)行右線盾構(gòu)掘進(jìn)施工，兩者的距離間距由原設(shè)計(jì)的50環(huán)調(diào)整為100環(huán)，距離間距為150 m，時(shí)間間隔約12 d，能夠保證左線土體的注漿加固效果，進(jìn)而可以有效減小2個(gè)盾構(gòu)之間的干擾和影響。

2)土艙壓力設(shè)定為靜止土壓力的1.05～1.10倍，盾構(gòu)的千斤頂總推力控制在7 000～11 000 kN，刀盤馬達(dá)扭矩控制在總扭矩的25% ～35%，掘進(jìn)速度控制在 20 ～35 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速控制在 1.0 ～1.5 r/min，日掘進(jìn)量適當(dāng)減小，由原設(shè)計(jì)的10環(huán)調(diào)整為8環(huán)，保證盾構(gòu)平穩(wěn)通過(guò)加油站。

3)同步注漿壓力控制值在0.2～0.3 MPa，同步注漿量可控制在盾尾間隙的150% ～200%，同步注漿時(shí)要求在壓入口的壓力大于該點(diǎn)的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補(bǔ)而不是劈裂。

4)二次注漿必須及時(shí)進(jìn)行，范圍控制在距離盾尾3環(huán)以后的管片，采用水泥－水玻璃雙液漿，水泥漿水灰質(zhì)量比為0.8 ～0.9，水玻璃與水質(zhì)量比按 1∶1.5進(jìn)行稀釋，注入時(shí)漿液與水玻璃體積比為水泥漿∶水玻璃=4∶1，二次注漿的水泥漿注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa，水玻璃雙液漿注漿壓力控制在0.3 ～0.6 MPa，確保管片背后填充密實(shí)。

若采取上述盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施后，沉降仍接近報(bào)警值，則采取地表補(bǔ)償注漿措施:1)地表沉降報(bào)警，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定補(bǔ)償性注漿的加固范圍(地表沉降區(qū)域向外各延伸3.0 m)，注漿孔徑為76 mm，間距為1.0 m，深度為4.0 m;2)油庫(kù)沉降報(bào)警，則沿儲(chǔ)油罐四周注漿，注漿孔徑為76 mm，間距為0.5 m，深度為6.0 m。待土體達(dá)到加固效果，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，方可繼續(xù)掘進(jìn)施工。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)值模擬

3.1 材料參數(shù)和有限元模型

采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，模型尺寸取值如下:1)高度，由地表向下取至隧道底以下3D(D為盾構(gòu)的直徑)，即 12.5+6+3×6=36.5 m;2)寬度，取至盾構(gòu)兩外側(cè) 6D，即 7.9+14×6=91.9 m;3)長(zhǎng)度取10D，即10×6=60.0 m。3個(gè)儲(chǔ)油罐的中心間距為5.0 m，尺寸如圖2所示。

盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)地層土體主要為粉質(zhì)黏土，主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層的主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Main physical and mechanical parameters of soil strata

儲(chǔ)油罐的材料為Q235，盾構(gòu)管片材料為C50，主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 儲(chǔ)油罐和管片的主要物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Main physical and mechanical parameters of oil tank and segments

3.2 盾構(gòu)下穿引起的沉降分析

有限元模型的四周邊界采用法向約束，底邊界采用固定約束，上邊界自由，盾構(gòu)內(nèi)邊界自由，施加重力加速度。

對(duì)3個(gè)儲(chǔ)油罐按距離始發(fā)井由近及遠(yuǎn)標(biāo)記為1#、2#、3#。取 6 個(gè)工況:工況 1，1#空、2#空、3#空;工況 2，1#滿、2#空、3#空;工況 3，1#空、2#滿、3#空;工況 4，1#滿、2#滿、3#空;工況 5，1#滿、2#空、3#滿;工況 6，1#滿、2#滿、3#滿。

通過(guò)有限元計(jì)算，得到了地面最大沉降(盾構(gòu)開(kāi)挖之后與開(kāi)挖之前的沉降之差)，典型的沉降云圖(中間位置，即長(zhǎng)度方向30.0 m處)如圖4所示，并給出了工況1和工況6的地表沉降曲線，如圖5所示。

圖4 盾構(gòu)施工引起的沉降云圖Fig.4 Contour of settlement induced by shield tunneling

圖5 地表沉降槽曲線Fig.5 Curves of ground surface settlement trough

比較圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn):1)左線盾構(gòu)掘進(jìn)完成時(shí)，地表沉降槽曲線基本呈左右對(duì)稱的V形，工況1和工況 6的最大地表沉降值為 －7.57 mm和－8.96 mm，左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)全部完成時(shí)，地表沉降槽曲線則呈左右對(duì)稱的W形，工況1和工況6的最大地表沉降值為－8.91 mm和－10.54 mm，后者的最大沉降值略大于前者，說(shuō)明雙線盾構(gòu)施工存在著相互影響;2)儲(chǔ)油罐內(nèi)的存油與否對(duì)地表沉降具有一定的影響，滿罐和空罐時(shí)儲(chǔ)油罐上方的地表沉降相差(工況6與工況1之差)分別為－1.22 mm(左線盾構(gòu)完成)和－1.28 mm(左右線盾構(gòu)全完成)，說(shuō)明儲(chǔ)油罐儲(chǔ)滿油時(shí)，對(duì)地表沉降有一定的影響，但影響很小，因此，盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，加油站可以正常營(yíng)業(yè)，但應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、并制訂應(yīng)急預(yù)案;3)地表的最大沉降發(fā)生在2個(gè)盾構(gòu)隧道的正上方，而隧道兩側(cè)4D之外區(qū)域的沉降為零，即地鐵盾構(gòu)的影響區(qū)域主要集中在盾構(gòu)隧道中心線的4D范圍之內(nèi)。

表3給出了計(jì)算得到的6個(gè)工況的地面和儲(chǔ)油罐的最大沉降。

表3 計(jì)算得到的最大沉降Table 3 Maximum settlement calculated

表3的計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于最不利情況(3個(gè)儲(chǔ)油罐全部?jī)?chǔ)滿汽油，且左、右線盾構(gòu)全部施工完成)，盾構(gòu)施工引起的地表最大沉降為－10.54 mm，儲(chǔ)油罐的最大沉降為－7.88 mm、最大傾斜率為0.62‰。該加油站為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，加油站負(fù)責(zé)人員、建設(shè)單位和安全評(píng)估專家根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［10］確定該加油站地面累計(jì)沉降控制值為－15.0 mm、最大傾斜率控制值為1.0‰，報(bào)警值為最大累計(jì)沉降 －12.0 mm，沉降速率 －2.0 mm/d，表3給出的計(jì)算結(jié)果均沒(méi)有達(dá)到報(bào)警值，因此，采取盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施后，盾構(gòu)施工可以安全地穿越該加油站。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)左線于2015年3月1—8日穿越加油站區(qū)域(加油中心前后各30 m)，穿越儲(chǔ)油罐的時(shí)間為2015年3月4日，右線于2015年3月25日—4月1日穿越加油站區(qū)域，穿越儲(chǔ)油罐的時(shí)間為2015年3月29日。穿越儲(chǔ)油罐的控制參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 穿越儲(chǔ)油罐的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)Table 4 Parameters of shield boring when passing underneath the oil tank

盾構(gòu)二次注漿的配合比為:1)水泥漿。膨潤(rùn)土∶粉煤灰∶砂∶水∶水泥質(zhì)量比為1∶4∶6.8∶4.3∶4.3;2)水玻璃雙液漿。水泥漿水灰質(zhì)量比為1∶0.5，水泥漿和水玻璃質(zhì)量比為1∶1。穿越過(guò)程中，左線和右線每5環(huán)的注漿量均為2.2 m3。

加油站監(jiān)測(cè)點(diǎn)于2015年2月25日布設(shè)完成，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在加油站油庫(kù)基礎(chǔ)(JCG－1—JCG－4)、加油站辦公用房(JCG－5—JCG－8)、加油站雨棚立柱(JCG－9—JCG－12)和加油站區(qū)域地表(DB15－1—DB45－11)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of monitoring points

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明:盾構(gòu)通過(guò)加油站后，加油站區(qū)域地表測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降最大為－10.9 mm(DB45－4)，其余大部分地表測(cè)點(diǎn)沉降量均在－10.0 mm以內(nèi);雨棚測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)沉降為 －6.8 mm(西北角立柱測(cè)點(diǎn)JCG－12)，油庫(kù)基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)沉降為 －5.5 mm(西南角測(cè)點(diǎn)JCG－3)，加油站辦公用房最大累計(jì)沉降為－2.9 mm(西南角測(cè)點(diǎn)JCG－7)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均較小，未達(dá)到報(bào)警值。后續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，自2015年4月1日起，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均趨于穩(wěn)定。

選取靠近左線盾構(gòu)的6個(gè)地表測(cè)點(diǎn)(DB45－1—DB45－6)和3個(gè)建(構(gòu))筑物測(cè)點(diǎn)(雨棚、油庫(kù)基礎(chǔ)、辦公用房)的最大累計(jì)沉降，繪出了沉降時(shí)程曲線，分別如圖7和圖8所示。

圖7 地表測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線Fig.7 Time-dependent curves of ground surface settlement

圖8 建(構(gòu))筑物測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線Fig.8 Time-dependent curves of building(structure)settlement

圖7 和圖8表明，左、右線穿越加油站后，地表和建(構(gòu))筑物的沉降都趨于穩(wěn)定，地表最大累計(jì)沉降為 －10.9 mm(與計(jì)算值 －10.54 mm 基本接近，誤差為3.4%，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬的可靠性)、最大沉降速率為 －1.6 mm/d，建(構(gòu))筑物的最大累計(jì)沉降為 －6.8 mm、最大沉降速率為 －1.1 mm/d，兩者均滿足監(jiān)測(cè)要求，說(shuō)明盾構(gòu)施工已經(jīng)安全下穿加油站，本文提出的盾構(gòu)掘進(jìn)措施是可行的。

5 結(jié)論與建議

1)加油站共平行設(shè)置3個(gè)埋地儲(chǔ)油罐，總?cè)莘e為150 m3，屬一級(jí)加油站，儲(chǔ)油罐與左線隧道的豎向凈距為7.0 m，水平凈距為2.7 m，盾構(gòu)掘進(jìn)施工下穿加油站屬Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。為保證盾構(gòu)施工的安全，提出了針對(duì)性的盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施。

2)采用ANSYS通用軟件建立了三維有限元模型，計(jì)算了儲(chǔ)油罐存滿油和空罐等工況下地表和儲(chǔ)油罐的沉降值，結(jié)果表明，地表最大沉降為－10.54 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，加油站可以正常營(yíng)業(yè);但應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并制訂應(yīng)急預(yù)案。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的地表和建(構(gòu))筑物的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地表最大累計(jì)沉降為－10.9 mm、最大沉降速率為 －1.6 mm/d，建(構(gòu))筑物的最大累計(jì)沉降為 －6.8 mm、最大沉降速率為 －1.1 mm/d，均未達(dá)到監(jiān)測(cè)報(bào)警值，說(shuō)明本文提出的盾構(gòu)掘進(jìn)措施是可行的。

4)鄭州地鐵正在建設(shè)，共規(guī)劃17條線，民用建筑、高鐵、鐵路等建(構(gòu))筑物廣泛分布于地鐵規(guī)劃線的上方;因此，在地鐵盾構(gòu)穿越過(guò)程中必須提出針對(duì)性的控制措施，本文的研究成果可為類似工程提供參考依據(jù)。

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