王軍趙春鑫梁爾斌吳圣智

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101； 2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)城市化建設(shè)，對(duì)城市軌道交通的需求日益增加，新增地鐵隧道與既有地鐵隧道相交的情況也更加常見(jiàn)，為了盡可能減少換乘距離，新建車站一般都采取正交下穿既有車站的施工方法，難免會(huì)遇到下穿既有車站變形縫的情況，如何控制變形縫處差異性沉降，同時(shí)確保暗挖車站的施工安全，是目前隧道施工面臨的一個(gè)難題[1]，樁基托換作為一種安全、可靠且對(duì)既有建筑物影響小的技術(shù)，已成為解決這類問(wèn)題的重要方法[2-3]。

專家學(xué)者們針對(duì)隧道施工中的樁基托換和暗挖車站下穿對(duì)既有地鐵車站沉降影響，做了一系列的研究與分析，其中也包括下穿既有建筑物變形縫的情況，但主要是變形縫左、右側(cè)結(jié)構(gòu)剛度相同的工程。何海健等[4]在國(guó)內(nèi)暗挖車站下穿既有車站工程案例分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地歸納了現(xiàn)有下穿技術(shù)措施。許鋒[5]、王建濤等[6]和陳啟輝等[7]介紹了一系列暗挖下穿既有地鐵車站的監(jiān)控量測(cè)方法。趙良云等[8]采用工程類比、理論研究和有限元分析的方法，基于地質(zhì)條件，研究了既有地鐵車站的變形控制。唐貴和等[9]介紹了廣州地鐵6 號(hào)線下穿某既有建筑物時(shí)使用的樁基托換技術(shù)的施工工藝，及托換工程中的監(jiān)測(cè)方案。李紅等[10]為規(guī)避隧道下穿工程施工過(guò)程中出現(xiàn)的地表沉降、地下管道變形與隧道坍塌等現(xiàn)象，提出隧道樁基主動(dòng)托換加固效果仿真評(píng)價(jià)方法。朱正國(guó)等[11]依托實(shí)際工程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，總結(jié)出既有車站的沉降與開挖步的關(guān)系。張文龍[12]提出了考慮變形縫因素的Pasternak 地基模型解析解，并且以清華園盾構(gòu)隧道下穿某一區(qū)間結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了地基模型的有效性。陶連金等[13]用桿單元連接變形縫，分析了變形縫處的沉降以及兩側(cè)既有結(jié)構(gòu)。鄭剛等[14]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和有限元模擬，得出變形縫會(huì)削弱結(jié)構(gòu)剛度、加劇結(jié)構(gòu)沉降的結(jié)論。杜文等[15]通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的研究方法，得出千斤頂可有效控制變形縫處差異性沉降的結(jié)論。大多數(shù)學(xué)者對(duì)下穿既有車站的施工方法以及既有車站的沉降研究較多，而對(duì)既有車站變形縫處沉降的研究較少，尤其是對(duì)變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)剛度不一樣的研究更為少見(jiàn)。

因此，依托北京M16 號(hào)線蘇州街站下穿M10 號(hào)線蘇州街站工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)研究既有地鐵車站的沉降，得出既有結(jié)構(gòu)變形縫處的沉降規(guī)律，可為類似新建隧道密貼下穿變形縫兩側(cè)剛度不同的既有建(構(gòu))筑物提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

16 號(hào)線蘇州街站地處蘇州街路，與海淀南路上的10 號(hào)線蘇州街站在十字路口處相交，如圖1 所示。下穿段10 號(hào)線蘇州街站為單雙層設(shè)計(jì)，單層段與雙層段之間有20 mm 寬變形縫，如圖2 所示。由于變形縫處只能傳遞壓力而不能傳遞彎矩和剪力，為了防止差異性沉降過(guò)大，將單雙層交界處底板設(shè)計(jì)為承插口形式，如圖3 所示。

圖1 蘇州街站平面示意圖

圖2 M10 號(hào)線變形縫示意圖

圖3 底板變形縫構(gòu)造圖示意圖

受10 號(hào)線埋深控制，16 號(hào)線蘇州街站采用端廳形式，其中下穿段車站為平頂直墻矩形結(jié)構(gòu)形式，施工方法為暗挖法施工，其中左、右線斷面分別為9.4 m×8.8 m和9.4 m×7.7 m。

1.2 工程地質(zhì)和施工方法

根據(jù)巖土詳勘報(bào)告，車站場(chǎng)區(qū)地質(zhì)分布情況從上到下分別是雜填土①層、粉質(zhì)黏土③層、粉土③層、細(xì)粉砂③層、卵石⑤層、卵石⑦層、粉質(zhì)黏土⑧層和卵石⑨層，具體分布情況如圖4 所示。

圖4 地質(zhì)情況剖面圖/mm

下穿段采用了洞樁托換法施工，導(dǎo)洞開挖時(shí)，在開挖驗(yàn)證全斷面注漿加固地層超前支護(hù)效果的前提下，可取消留核心土進(jìn)行全斷面開挖，以盡快封閉成環(huán)。初期支護(hù)施工后，應(yīng)及時(shí)對(duì)拱頂背后進(jìn)行回填注漿，注漿漿液采用1∶1 水泥漿，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa。導(dǎo)洞開挖完成后進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，然后進(jìn)行樁頂托梁施工。導(dǎo)洞內(nèi)閉合二襯結(jié)構(gòu)施作完畢后，經(jīng)檢驗(yàn)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，在既有車站底板下按照設(shè)計(jì)位置安裝千斤頂，施工工序示意圖如圖5 所示。

圖5 施工工序示意圖

1.3 千斤頂分階段頂升沉降控制措施

1.3.1 托換體系

現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)下穿工程中既有線的變形控制標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，以北京為例，北京地鐵下穿工程中既有線沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為3 mm，為滿足這一標(biāo)準(zhǔn)要求，工程使用了千斤頂頂升主動(dòng)托換技術(shù)。采用的千斤頂?shù)闹睆綖?00 mm、高度為750 mm、凈重為1.82 t，行程為550 mm，單臺(tái)千斤頂頂升力為1 000 t。千斤頂按照設(shè)計(jì)位置布置在既有車站底板下，通過(guò)可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller， PLC)控制系統(tǒng)同步控制，系統(tǒng)額定壓力、最大流量分別為63 MPa、1.7 L/min， 同步精度、速度分別為0.1 mm和0.5～1 mm/min。千斤頂布置圖如圖6 所示。

圖6 千斤頂布置圖

PLC 控制系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)(油泵、油缸等)、檢測(cè)傳感器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成，可以全自動(dòng)完成同步移位，實(shí)現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過(guò)程顯示和故障報(bào)警等多種功能。

1.3.2 千斤頂分階段控制方法

千斤頂同步頂升分為3 個(gè)階段，分別是邊導(dǎo)洞千斤頂預(yù)壓頂升階段、整體頂升階段和新建單層體施工結(jié)束沉降補(bǔ)償階段。

邊導(dǎo)洞內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工結(jié)束之后，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，千斤頂統(tǒng)一接入PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)壓頂升。當(dāng)既有車站底板上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的隆起量為0.2 mm≤δ≤0.5 mm 時(shí)，需要馬上停止頂升，然后使用電磁球閥保壓。

3.3 長(zhǎng)效常態(tài)教育與培訓(xùn)對(duì)提高護(hù)士職業(yè)性腰背痛知識(shí)水平的必要性 針對(duì)護(hù)士流失率逐年上升［6］;護(hù)士不斷更新以及習(xí)慣容易反復(fù)的現(xiàn)狀，提高護(hù)士職業(yè)性腰背痛的認(rèn)知水平是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。作為醫(yī)院的管理者，必須對(duì)此問(wèn)題有全面的認(rèn)識(shí)，階段性的培訓(xùn)只能代表現(xiàn)階段的結(jié)果。因此，建立長(zhǎng)效常態(tài)機(jī)制開展綜合教育與培訓(xùn)，提高護(hù)士職業(yè)性腰背痛認(rèn)知水平是非常必要的，如此方能減少護(hù)士職業(yè)性腰背痛的發(fā)生，確保護(hù)理質(zhì)量，提高護(hù)士和患者的滿意度。

中導(dǎo)洞內(nèi)所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工結(jié)束之后，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，使用PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行整體頂升。當(dāng)既有車站底板上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的隆起量δ在為0.2 mm≤δ≤0.5 mm 時(shí)，需要馬上停止頂升，然后使用電磁球閥保壓。

為了補(bǔ)償下穿段施工時(shí)既有車站產(chǎn)生的沉降，當(dāng)新建車站的閉合二襯結(jié)構(gòu)經(jīng)檢測(cè)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，通過(guò)PLC 系統(tǒng)操作全部千斤頂開始頂升作業(yè)，頂升距離最多不得高于既有車站已產(chǎn)生的沉降量，待頂升結(jié)束后，使用電磁球閥保壓。

2 變形縫兩側(cè)差異性沉降數(shù)值模擬

基于彈性地基梁理論建立暗挖車站下穿既有地鐵車站的沉降計(jì)算模型，并就蘇州街站下穿增層工程進(jìn)行計(jì)算。蘇州街站的托換方式采取的是千斤頂頂升，由于下穿段上方既有10 號(hào)線蘇州街站單層段和雙層段之間存在變形縫，在考慮模型參數(shù)時(shí)除了千斤頂頂升力，還需要考慮變形縫處兩側(cè)底板承插口對(duì)差異性沉降的影響。

2.1 數(shù)值模型

采用有限元軟件GTS NX 進(jìn)行建模分析，模型采用彈性本構(gòu)模型。模型包括了既有地鐵車站雙層段和單層段，其中雙層段寬為26 m、高為16 m，而單層段寬為16 m、高為10 m。建模時(shí)長(zhǎng)度各取100 m；模型上表面為沒(méi)有約束的自由面，周邊的4 個(gè)表面約束法線方向的位移，下表面約束3 個(gè)方向的位移；將既有車站簡(jiǎn)化為理想的彈性材料，不考慮地下水的滲流作用，變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)通過(guò)彈性彈簧進(jìn)行連接，不考慮防水材料的弱連接，而結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用采用曲面彈簧進(jìn)行代替，以此來(lái)模擬彈性地基梁，示意圖如圖7 所示。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及假設(shè)建立有限元模型，模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為129 309 個(gè)，單元總數(shù)為190 852 個(gè)，如圖8 所示。

圖7 彈性地基梁模型示意圖

圖8 有限元模型示意圖

2.2 主要參數(shù)

根據(jù)施工前檢測(cè)推定10 號(hào)線蘇州街站結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C40，既有車站模型尺寸按照實(shí)際尺寸取值，截面形狀為矩形，采用3D 實(shí)體單元建模，本構(gòu)模型選取彈性本構(gòu)模型，取彈性模量為32 500 GPa、泊松比為0.2、密度為23 kg/m2。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況和工況算出不同埋深時(shí)的土壓力，土壓力取值見(jiàn)表1。在模型中通過(guò)曲面彈簧模擬結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用，曲面彈簧的關(guān)鍵參數(shù)為地基反力系數(shù)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，地基反力系數(shù)取30 000 kN/m2。千斤頂力采用均布荷載的方式施加。

表1 土壓力表單位:kN·m-2

2.3 結(jié)果與分析

既有地鐵車站在下穿隧道施工結(jié)束后的主應(yīng)力云圖如圖9 所示。既有車站最大壓應(yīng)力為3.0 MPa，僅為抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的15%，而最大拉應(yīng)力為1.6 MPa，占抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的93%，仍在安全范圍內(nèi)，能夠保證既有車站結(jié)構(gòu)安全。

圖9 主應(yīng)力云圖

2.3.1 承插口結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

承插口結(jié)構(gòu)作為防止變形縫產(chǎn)生差異性沉降的重要部位，需要單獨(dú)進(jìn)行應(yīng)力分析，承插口處應(yīng)力云圖如圖10 所示，圖中線框框取部位即為承插口結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)從左往右依次是1～33。提取整個(gè)施工過(guò)程中承插口處應(yīng)力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖11所示。

圖10 承插口應(yīng)力云圖

圖11 施工過(guò)程承插口應(yīng)力變化曲線

由圖11 可以看出，施工進(jìn)程對(duì)承插口處應(yīng)力影響非常大。壓應(yīng)力峰值分別出現(xiàn)在邊導(dǎo)洞開挖時(shí)承插口兩側(cè)位置和中導(dǎo)洞開挖時(shí)承插口中部位置，其值均為2.8 MPa。從整體上看，承插口壓應(yīng)力先隨著邊導(dǎo)洞施工開挖逐漸增大到峰值，在加入邊導(dǎo)洞千斤頂力后約下降到1.8 MPa。之后，隨著中導(dǎo)洞的開挖，承插口壓應(yīng)力再一次達(dá)到峰值，直至中導(dǎo)洞安裝千斤頂后承插口應(yīng)力才下降到0.5 ～1.3 MPa之間，由此可見(jiàn)，承插口和千斤頂都能有效緩解變形縫處產(chǎn)生差異性沉降。

從整體上看，在中導(dǎo)洞開挖前承插口應(yīng)力變化并不大，并且應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在中部，在中導(dǎo)洞開挖后承插口應(yīng)力變化起伏較大，承插口中部也變成了應(yīng)力最小的地方。初步分析是因?yàn)閷?dǎo)洞開挖時(shí)既有車站產(chǎn)生沉降，但由于既有車站兩端連接的幾乎是無(wú)限長(zhǎng)的剛體，且車站側(cè)面也有土壓力加持，所以變形縫處受沉降影響顯著，而其中變形縫中部即承插口中部受到的影響最大，所以呈現(xiàn)出承插口中部壓應(yīng)力大于兩邊的現(xiàn)象。

承插口壓應(yīng)力隨導(dǎo)洞開挖而增大，是因?yàn)榧扔熊囌井a(chǎn)生沉降后，變形縫左、右兩側(cè)由于差異性沉降而壓迫承插口造成的。加入千斤頂后，其主動(dòng)頂升力可以有效控制變形縫處差異性沉降，進(jìn)一步減緩了承插口的壓迫作用，所以承插口壓應(yīng)力會(huì)隨著千斤頂?shù)募尤攵鴾p小。

2.3.2 變形縫沉降分析

不同施工階段既有車站沉降云圖如圖12 所示。為了更加準(zhǔn)確地分析變形縫處的差異性沉降，提取不同施工階段的既有車站變形縫兩側(cè)沉降和中線沉降繪制曲線，如圖13、14 所示。

圖12 既有車站沉降云圖

由圖13 可知，既有車站整體沉降特征為變形縫處沉降較大，而遠(yuǎn)離變形縫處兩端沉降較小，大致呈U 形，符合越臨近下穿段施工位置，既有車站受開挖影響越大的規(guī)律。對(duì)比既有車站單層段和雙層段的整體沉降，可看出單層段沉降比雙層段高了約1 mm，說(shuō)明單層段比上層段更容易受到施工影響。其中沉降最大值出現(xiàn)在土方開挖階段節(jié)點(diǎn)9-2 處，其值達(dá)到了7.6 mm。

在邊導(dǎo)洞開挖階段，邊導(dǎo)洞上方節(jié)點(diǎn)沉降值均高于兩側(cè)節(jié)點(diǎn)沉降值，呈現(xiàn)出W 形趨勢(shì)，這是由于開挖土體擾動(dòng)造成的，而變形縫處采取了承插口設(shè)計(jì)，在變形縫處產(chǎn)生沉降時(shí)可加強(qiáng)兩側(cè)底板聯(lián)系，所以變形縫處差異性沉降并不大，其值僅為0.15 mm。在初次安裝千斤頂之后，由于千斤頂?shù)闹鲃?dòng)調(diào)節(jié)功能，沉降趨勢(shì)幾乎穩(wěn)定。中導(dǎo)洞開挖階段與土方開挖階段并沒(méi)有造成過(guò)大不均勻沉降，而是在開挖之前的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了進(jìn)一步整體沉降，但由于采用了圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系和主動(dòng)托換措施，造成的沉降并不大，其中中導(dǎo)洞開挖較上一階段沉降了0.6 mm，土方開挖較上一階段沉降了0.4 mm。

由圖13 和14 可知，變形縫處沉降呈現(xiàn)出中間沉降大，兩端沉降小的規(guī)律，差異性沉降值在0.1 ～0.4 mm 之間波動(dòng)，處于安全可控范圍內(nèi)。

圖13 既有車站變形縫兩側(cè)模擬沉降對(duì)比曲線圖

圖14 既有車站中線模擬沉降對(duì)比曲線圖

3 既有車站沉降監(jiān)測(cè)分析

為保障在暗挖期間不影響既有10 號(hào)線的日常使用，需要對(duì)既有車站進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)在施工導(dǎo)洞周邊及拱頂上方，地面鉆孔60 cm，到達(dá)原狀土后灌入細(xì)砂，然后安置80 cm 長(zhǎng)的Φ20 鋼筋，使用全站儀進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖15 所示。

圖15 既有車站沉降測(cè)點(diǎn)布置圖

截取隧道下穿整個(gè)施工期間的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)施工方法可分為5 個(gè)時(shí)間段，繪制各個(gè)時(shí)間段既有車站變形縫左、右兩側(cè)沉降圖和中線沉降圖，分別如圖16、17 所示。

圖16 既有車站變形縫兩側(cè)實(shí)測(cè)沉降對(duì)比曲線圖

圖17 既有車站中線實(shí)測(cè)對(duì)比沉降曲線圖

根據(jù)圖16 和17 分析可知:

(1)在兩側(cè)小導(dǎo)洞開挖和初期支護(hù)階段，由于JG6-2 和JG10-2 離邊導(dǎo)洞最近，所以受擾動(dòng)影響最為嚴(yán)重，兩測(cè)點(diǎn)沉降值分別為-1.34 和-1.21 mm。即使未施作圍護(hù)體系，變形縫處差異性沉降也僅為0.1 mm，說(shuō)明既有車站變形縫兩側(cè)底板采用承插口設(shè)計(jì)可有效減少變形縫處差異性沉降。該階段既有車站沉降趨勢(shì)呈現(xiàn)出邊導(dǎo)洞附近測(cè)點(diǎn)沉降較大，越遠(yuǎn)離邊導(dǎo)洞位置的測(cè)點(diǎn)沉降越小，最遠(yuǎn)端兩側(cè)測(cè)點(diǎn)甚至出現(xiàn)隆起，隆起最大值為JG2-2 的0.61 mm，初步分析是因?yàn)檫厡?dǎo)洞處沉降過(guò)大而導(dǎo)致遠(yuǎn)端被翹起。

(2)在邊導(dǎo)洞施作鉆孔灌注樁和托梁階段，邊導(dǎo)洞上方測(cè)點(diǎn)沉降值雖然較上一階段仍增大，但沉降趨勢(shì)卻截然相反，其中JG7-2 測(cè)點(diǎn)就比相鄰測(cè)點(diǎn)沉降小，呈現(xiàn)出局部被頂升的趨勢(shì)。該階段變形縫處差異性沉降為0.09 mm，既有車站兩端隆起值也趨于0，初步分析是因?yàn)槭┳鲊o(hù)結(jié)構(gòu)及托梁后，結(jié)構(gòu)有了圍護(hù)體系，受力相對(duì)穩(wěn)定。

(3)在邊導(dǎo)洞埋置千斤頂和中導(dǎo)洞開挖階段，該階段既有車站沉降曲線呈現(xiàn)U 形，變形縫處差異性沉降為0.05 mm。而沉降最大值為-1.96 mm，出現(xiàn)在中導(dǎo)洞上方測(cè)點(diǎn)JG8-2 處，受中導(dǎo)洞開挖影響并不大，初步分析是由于邊導(dǎo)洞受千斤頂頂升控制。綜上所述，千斤頂主動(dòng)托換對(duì)控制變形縫處差異性沉降具有顯著作用。

(4)在中導(dǎo)洞施作鉆孔灌注樁并埋置千斤頂階段，整體沉降曲線與上一階段幾乎相同。JG8-2 相較兩側(cè)測(cè)點(diǎn)沉降下降約0.05 mm，初步分析是因?yàn)橹袑?dǎo)洞施作鉆孔灌注樁頂升造成的。變形縫處差異性沉降為0.06 mm，較上一階段無(wú)明顯變化。

(5)在土方開挖及拱頂襯砌階段，整體沉降趨勢(shì)與上一階段相比只有下穿段處略有增大，其余部分并無(wú)明顯變化，這是由于土方開挖擾動(dòng)造成的。變形縫處差異性沉降為0.05 mm，并未受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)影響。從整體來(lái)看，變形縫左側(cè)整體沉降比右側(cè)稍大，證明單層段比雙層段更容易受到施工的影響。

4 結(jié)論

為了滿足隧道下穿既有車站變形縫處差異性沉降要求，通過(guò)數(shù)值模擬和工程實(shí)測(cè)，基于平頂直墻暗挖＋千斤頂主動(dòng)托換的施工方法，深入研究了既有車站變形縫兩側(cè)差異性沉降，主要得出以下結(jié)論:

(1)施工期間既有車站沉降最大值為-2.04 mm，變形縫處差異性沉降最大值為0.12 mm，表明千斤頂主動(dòng)托換的施工方法可以有效地將既有車站的沉降控制在安全范圍內(nèi)。

(2)密貼下穿施工時(shí)，既有結(jié)構(gòu)變形縫處會(huì)產(chǎn)生一定差異性沉降，由于受上方覆土的影響單層段的沉降會(huì)大于雙層段的。

(3)變形縫兩側(cè)底板采用了承插口設(shè)計(jì)，數(shù)值分析表明，承插口應(yīng)力先是隨著施工開挖增大，而后隨著千斤頂頂力的施加變小，證明承插口和千斤頂均能緩解既有車站變形縫處差異性沉降。