朱正國 方智淳 王道遠(yuǎn)

(石家莊鐵道大學(xué)， 石家莊 050043)

近年來，由于我國各省市的城市化進(jìn)程逐漸深入發(fā)展，地上交通和地面構(gòu)筑物越來越難以解決當(dāng)今社會的發(fā)展訴求，對地下空間的開發(fā)與利用已經(jīng)被絕大多城市提上日程[1-2]。為滿足人們工作中與生活中出行需要，我國城市軌道交通建設(shè)正在如火如荼地發(fā)展。軌道交通的建設(shè)離不開隧道工程，隧道的修建往往會遇到需要下穿既有建筑結(jié)構(gòu)或歷史遺跡等構(gòu)筑物的情形，為保證地上結(jié)構(gòu)不受隧道下穿施工的干擾，亟需開展隧道下穿施工過程中的穩(wěn)定性研究[3-5]。

目前，國內(nèi)外很多專家學(xué)者在隧道下穿施工過程中引起的對既有建筑物的影響以及沉降變形控制研究等領(lǐng)域取得了不少成果。Mrouch等人利用Peck得到隧道下穿過程中造成的地表沉降，再根據(jù)土層整體變形反算得到既有建筑物的穩(wěn)定性分析[6]。李強(qiáng)等人以廣州地鐵五號線為例，對隧道施工過程中附近已有樁的基底承載力的位移和受力變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得到了靠近樁一側(cè)的摩阻力狀態(tài)[7]。許江等人利用大型有限元分析軟件，研究了城市地鐵修建過程中對既有建筑物地基受力所產(chǎn)生的影響[8]。姚海波[9]和張曉麗[10]以隧道下穿既有地鐵線路工程為背景，從施工方法比選、支護(hù)作用機(jī)理以及變形沉降機(jī)理等方面進(jìn)行研究，得到了大斷面隧道開挖過程中對既有線路產(chǎn)生的影響。許有俊以隧道下穿鐵路為背景，采用三維建模方法計算隧道開挖到不同位置時，交通動荷載作用下隧道和地層在位移和應(yīng)力上的動力響應(yīng)結(jié)果[11]。但是由于隧道開挖周圍巖體與外界作用的復(fù)雜性以及當(dāng)前研究方法的局限性，關(guān)于隧道下穿既有建筑物特別是火車站站房，仍然有很多問題需要研究解決。

本文以新建隧道下穿新鄉(xiāng)火車站站房為研究背景，利用有限元數(shù)值分析軟件，對采用交叉中隔壁法(CRD法)施工的車站站房的變形進(jìn)行研究，通過研究不同加固方案下地表沉降，比選出最經(jīng)濟(jì)合理的加固方案，保證施工快速、穩(wěn)定、安全、有效的進(jìn)行。

1 隧道-地層-路基相互作用關(guān)系

在既有車站站房下修建隧道，都不可避免會對既有站房產(chǎn)生擾動，使路基產(chǎn)生不均勻沉降，對站房內(nèi)的工作造成影響。為保證既有站房在隧道下穿施工過程中安全運營，有必要嚴(yán)格控制隧道下穿施工時的路基沉降。在工程的整個設(shè)計、施工、管理以及運營中對變形沉降進(jìn)行嚴(yán)格控制，通過有效的控制方法盡量減小地表沉降值，把隧道施工對站房造成的損害降到最小，保證其能夠正常運營。

在隧道下穿站房的施工中，造成地層和路基沉降變形的主要因素有兩個。一是由于隧道的開挖形成地層損失，造成施工擾動、應(yīng)力釋放、巖體卸載暴露以及圍巖地層失穩(wěn)等導(dǎo)致地層、路基沉降變形；二是站房運營所產(chǎn)生的人為動荷載通過路面?zhèn)鬟f給路基，再由路基傳遞到地層以及淺埋隧道拱頂，進(jìn)而對路基路面、地層圍巖、隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形影響，經(jīng)過許多專家學(xué)者對交通荷載的研究發(fā)現(xiàn)，這部分荷載對既有建筑物特別是下方有隧道穿越的建筑物是有較大影響的。

在隧道下穿既有車站站房施工過程中，隨著隧道的開挖擾動，洞周圍巖開始變形，這種變形傳遞至地層，引起地層變化。由于是淺埋隧道，變形會很快傳遞至地表和路基，引起路基沉降破壞，影響建筑物結(jié)構(gòu)安全。假定這一傳遞過程是連續(xù)的，即將隧道、地層、站房地基三者視為共同作用、共同變形。這樣可以簡化研究隧道下穿施工引起地層和路基變形的規(guī)律。

在隧道下穿開挖過程中，隧道、地層、站房地基三部分相互關(guān)聯(lián)，從開始變形到最后趨于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，三者一直處于相互作用狀態(tài)。隧道開挖造成原有地層損失，這種損失會形成圍巖壓力，致使隧道變形，進(jìn)而造成洞周圍巖和土層的位移變形，這種變形傳遞至地表和路基，如果路基變形超過最大允許變形，將產(chǎn)生運營安全隱患；在隧道下穿施工的同時，站房正常運營，運營荷載會對線路進(jìn)行作用，荷載通過路基傳遞至地層進(jìn)而影響正在施工中的隧道，增加了下穿站房隧道有別于普通淺埋隧道的施工難度，給隧道施作帶來安全風(fēng)險。所以三者的變形受到施工開挖和運營荷載的共同作用、共同影響。三者的作用關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道、地層、路基相互作用關(guān)系圖

綜合以上分析，隧道、地層、路基三者相互作用是通過傳遞進(jìn)行的，而地層則像隧道和路基變形之間傳遞的“介質(zhì)”，變形必須通過地層才得以發(fā)展。因此，想要控制路基沉降，主要的途徑是對地層采取相應(yīng)的處理措施，只要截斷變形傳遞的路徑，就能很好的控制變形的發(fā)展，確保鐵路運營和隧道的施工安全。

2 隧道下穿站房CRD法加固方案比選分析

采用CRD法進(jìn)行施工，既可以保證隧道開挖過程中隧道自身整體的穩(wěn)定性，同時從經(jīng)濟(jì)角度考慮也可以節(jié)約成本，保證工程又快又好的進(jìn)行。

2.1 計算模型和計算參數(shù)

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模，將賦好參數(shù)的模型再導(dǎo)入FLAC進(jìn)行力的加載和施工步的設(shè)置最終得到計算結(jié)果。將隧道近似為圓形，X、Y、Z三個方向的尺寸為172 m×40 m×60 m(隧道的頂端到火車站站房的表面距離為7.42 m)，模型的左、右、前、后以及下部邊界采取約束法向位移的邊界條件。

對隧道分別進(jìn)行水平加固和周圍加固兩種加固兩種方案對比。水平加固方案是在管幕的下方打入樁基，管幕的直徑分別為600 mm和300 mm，水平加固方案的整體模型和模型的局部計算示意圖如圖2所示。周邊加固方案的整體模型和模型的局部計算示意圖如圖3所示。左右兩邊的隧道每邊分為4個開挖部分，各個開打挖部分之間隔開3個開挖步。進(jìn)行開挖時先對開挖左側(cè)隧道進(jìn)行開挖，右側(cè)隧道的開挖落后左側(cè)隧道開挖12 m，設(shè)定的CRD法施工開挖順序如圖4所示。

圖2 水平加固方案整體和局部計算模型圖

圖3 周圍加固方案整體和局部計算模型圖

圖4 CRD法施工左右隧道開挖順序圖

由圖2、圖3可知，水平加固方案主要是對左右兩個隧道進(jìn)行一種門式框架類型的加固，整個加固區(qū)呈門型，加固區(qū)均由水平豎直區(qū)域相交而成。而對于周圍加固區(qū)是根據(jù)隧道整體的形狀進(jìn)行一種整體的不規(guī)則的加固，其加固區(qū)隨隧道形狀和布置的變化而改變。

在模型計算加固時只需要將工況的參數(shù)修改為加固的參數(shù)進(jìn)行計算，不加固時只需將相關(guān)的加固圈參數(shù)改為對應(yīng)的地層參數(shù)即可。地層、初期支護(hù)及站房主體結(jié)構(gòu)參數(shù)、管幕參數(shù)以及支撐樁參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)及其他物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 地表沉降分析

為更好的對比加固的效果，在一般加固的基礎(chǔ)上進(jìn)行φ600水平加固、φ600周圍加固以及φ300周圍加固3種加固方案，各加固方案下不同施工階段中的地表沉降曲線如圖5～圖8所示。

圖5 一般加固地表沉降曲線圖

圖6 φ600水平加固地表沉降曲線圖

圖7 φ600周邊加固地表沉降曲線圖

圖8 φ300周邊加固不同施工階段地表沉降曲線圖

各加固方案地表沉降最大值對比表如表2所示。

表2 各加固方案地表沉降最大值對比表

由圖5～圖8可知，各加固方案整體沉降規(guī)律一致，開挖過程中，一開始隨著隧道左側(cè)的開挖，地表沉降逐漸加大，但是隨著右側(cè)隧道的開挖，地表最大沉降逐漸靠向右側(cè)，右側(cè)隧道監(jiān)測面處的沉降值明顯大于左側(cè)隧道。同時，地表的最大沉降產(chǎn)生在左右隧道中心線之間，這是因為這片區(qū)域內(nèi)的土體在左側(cè)隧道開挖時就受到很大影響，隨著開挖的進(jìn)行，右側(cè)隧道的開挖對這片區(qū)域的土體影響依舊很大，左右兩側(cè)的開挖對其應(yīng)力產(chǎn)生力的疊加效應(yīng)，所以在隧道全部貫通后，地表沉降的最大值產(chǎn)生在此范圍內(nèi)。同時，無論是水平加固方案還是周圍加固方案，相較于一般加固方案，其對于地表沉降都是有效的，只是不同加固方案，所造成的影響有差異。

結(jié)合表2、對比圖6、圖7可知，在φ600范圍內(nèi)加固，水平加固下地表最大沉降為27.3 mm，相比于一般加固方案，差值為19%；而相同范圍內(nèi)的周邊加固方案，地表最大沉降為10.6 mm，相較于一般加固方案，差值為68.5%，可見周邊加固方案明顯優(yōu)于水平加固方案。再根據(jù)表2、對比圖7、圖8可知，相同的周邊加固方案下，采用φ600的加固方案由于其加固范圍更加廣，所以其對于地表沉降控制的效果要好于φ300的加固方案，但φ300加固方案下，地表最大沉降為14.3 mm，相較于一般加固方案，差值百分比為57.6%，加固效果同樣顯著。

綜合以上分析，在隧道下穿車站站房的CRD法施工下，周邊加固方案明顯優(yōu)于水平加固方案和一般加固方案，但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，φ300周邊加固、φ600周邊加固均能滿足施工需要，所以采用φ300周邊加固方案更為合理。

2.3 水平收斂分析

上述方案下左右兩隧道伴隨開挖情況下的水平收斂變化曲線如圖9、圖10所示。

圖9 左側(cè)隧道水平收斂值圖

圖10 右側(cè)隧道水平收斂值圖

各個加固方案左、右隧道水平收斂值如表3所示。

表3 各加固方案左右隧道水平收斂值對比表

由圖9、圖10及表3可知：無論是周邊φ600范圍內(nèi)的加固還是φ300范圍的加固，其控制橫向收斂變形的效果都是明顯的，而水平加固方案幾乎沒有起到作用，甚至在右隧道，水平加固后隧道的水平收斂值還要大于一般加固情況，因此水平加固不可取。而周邊加固方案，無論是φ600還是φ300范圍其效果都很顯著，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，選擇φ300周邊加固方案。

3 結(jié)論

(1)在隧道下穿車站站房的施工中，實際上是隧道、地層、站房地基三者之間的相互作用與力的相互傳遞。三者的相互作用關(guān)系為：開挖→隧道變形→地層變形→站房地基沉降；運營荷載→路基沉降→地層變形→隧道變形。

(2)從地層沉降角度分析CRD法下各加固方案的特點，發(fā)現(xiàn)無論是水平加固方案，還是不同范圍的周邊加固方案，對地層沉降都有明顯改善，但周邊加固方案效果更明顯。

(3)從隧道水平收斂角度分析加固方案的特點，發(fā)現(xiàn)水平加固不僅對隧道施工中水平收斂沒有效果，反而加大了右隧道施工中其水平收斂值，而周邊加固方案效果依然顯著。考慮到經(jīng)濟(jì)情況，最終選擇φ300周邊加固方案。