王遠(yuǎn)六, 易領(lǐng)兵, 杜明芳, 劉勝歡

(1.河南正陽建設(shè)工程集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450001; 2.中國(guó)交建軌道交通事業(yè)部,北京 100088; 3.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001; 4.中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

0 引 言

盾構(gòu)區(qū)間小凈距穿越暗挖結(jié)構(gòu)底部施工工況較為少見。文獻(xiàn)[1-3]采用數(shù)值計(jì)算等仿真分析方法分析了不同區(qū)域砂卵石區(qū)域中盾構(gòu)穿越施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)區(qū)間、對(duì)鐵路站場(chǎng)等的影響;文獻(xiàn)[4-5]采取有限元計(jì)算分析程序研究新建區(qū)間隧道穿越下施工對(duì)既有車站的影響;文獻(xiàn)[6]研究了北京地區(qū)地鐵盾構(gòu)區(qū)間近距離穿越地鐵車站施工對(duì)其的影響;文獻(xiàn)[7-8]采取有限元分析方法總結(jié)了地鐵隧道區(qū)間穿越公交節(jié)點(diǎn)的施工影響;文獻(xiàn)[9-16]研究了區(qū)間隧道連續(xù)穿越住宅樓、既有區(qū)間隧道、管廊、公路等工程案例。

上述文獻(xiàn)較多研究盾構(gòu)下穿隧道、明挖車站、車場(chǎng)等工程,而對(duì)砂卵石富水區(qū)域小凈距穿越暗挖站施工研究較少。綜合考慮以上情況,本文以砂卵石富水區(qū)域盾構(gòu)小凈距穿越單洞雙線暗挖站施工工程為背景,研究盾構(gòu)區(qū)間隧道小凈距穿越暗挖站施工過程中暗挖站位移變化規(guī)律、變形縫差異變形變化特征以及軌道沉降變化走勢(shì)等,以期研究結(jié)果為行業(yè)類似工程提供借鑒。

1 工程概況

既有地鐵站呈東西走向。車站總長(zhǎng)177 m(中間單層單洞雙線暗挖段總長(zhǎng)60 m),包含兩端3層明挖部分和中間單層暗挖段。中間暗挖段結(jié)構(gòu)拱頂埋深約14 m。

新建區(qū)間下穿既有地鐵站(中間暗挖段)區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。左、右線盾構(gòu)區(qū)間距暗挖段結(jié)構(gòu)底板垂直凈距僅3 m左右,左線與東側(cè)明挖段水平距離為1.62～2.87 m,左、右線線間距為11.20～11.70 m。

單層暗挖段內(nèi)設(shè)置如下兩處變形縫:接西端明挖段定義為變形縫一;接?xùn)|端明挖段定義為變形縫二。左線區(qū)間與東側(cè)變形縫水平凈距為0.37～1.62 m。

土層自上而下分布依次為:4.28 m厚①雜填土層,3.70 m厚③1粉土層,11.87 m厚③粉質(zhì)黏土層,5.23 m厚④粉質(zhì)黏土層,1.50 m厚④1細(xì)中砂層,10.50 m厚⑤卵石層,4.00 m厚⑥1卵石層。地下水位埋深6.23 m,④1細(xì)中砂層和⑤卵石層為富水砂卵石層。盾構(gòu)區(qū)間主要穿越⑤卵石層地層,暗挖站底板位于④粉質(zhì)黏土層,兩層土之間為1.50 m厚④1細(xì)中砂層。

洞內(nèi)徑向注漿(漿液為水泥-水玻璃雙液漿)加固盾構(gòu)區(qū)間隧道與既有地鐵站結(jié)構(gòu)間土體,縱向加固范圍為盾構(gòu)開挖面距既有結(jié)構(gòu)前后各6 m范圍內(nèi)。平面、剖面位置如圖1、圖2所示。

圖1 平面位置

2 仿真分析

針對(duì)砂卵石富水區(qū)域地層,采用MIDAS有限元計(jì)算程序建立模型,整體模型除頂面為自由面以外,其余四周、四面及底面均采取固定約束固定。模型的長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為250、170、50 m。巖土體采用莫爾-庫(kù)倫模型,本文采用線彈性本構(gòu)模型模擬新建盾構(gòu)區(qū)間與既有地鐵站,具體如圖3、圖4所示。

圖3 地層結(jié)構(gòu)模型

為研究盾構(gòu)斜向超近距下穿施工過程中既有地鐵站位移變化特征及既有地鐵站明暗挖交界處變形縫差異沉降規(guī)律,借鑒以往工程經(jīng)驗(yàn)及軟件仿真計(jì)算理論,詳細(xì)施工工況如下:

1) 工況1-1,右線區(qū)間掘進(jìn)至車站前 6 m 處。

2) 工況1-2,右線區(qū)間掘進(jìn)至車站后 6 m 處。

3) 工況1-3,右線區(qū)間遠(yuǎn)離車站。

4) 工況2-1,左線區(qū)間掘進(jìn)至車站前 6 m 處。

5) 工況2-2,左線區(qū)間掘進(jìn)至車站后 6 m 處。

6) 工況2-3,左線區(qū)間遠(yuǎn)離車站。

土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1所列。

3 結(jié)果分析

3.1 車站位移

為節(jié)約篇幅,不再逐一列出每一工況計(jì)算云圖,僅列出工況1-3和工況2-3計(jì)算結(jié)果,如圖5、圖6所示。統(tǒng)計(jì)其余工況最大值測(cè)點(diǎn)位移并繪制成曲線,如圖7所示。右線盾構(gòu)隧道施工后總體上地鐵站兩側(cè)明挖段沉降影響較小,地鐵站暗挖段變形影響較大,由下穿區(qū)域向兩側(cè)逐漸減小。沉降值最大為1.769 mm,沉降槽寬度約為31.5 m(沉降大于1.000 mm范圍)。暗挖段沉降變形主要受垂直下穿段施工影響,既有車站兩側(cè)6 m范圍外新建盾構(gòu)區(qū)間施工既有站新增沉降小于0.150 mm,基本無影響。水平變形相對(duì)較小,最大水平變形為0.372 mm,位于車站東側(cè)明挖段部位,各部位以靠近盾構(gòu)隧道的沉降變形為主。

圖5 工況1-3地鐵站沉降、水平位移變形云圖

圖6 工況2-3地鐵站沉降、水平位移變形云圖

圖7 地鐵站最大值測(cè)點(diǎn)位移曲線

左線盾構(gòu)隧道施工后地鐵站東側(cè)明挖段鄰近處產(chǎn)生一定沉降,西側(cè)明挖段基本無影響,總體上地鐵站兩側(cè)明挖段沉降影響較小,地鐵站暗挖段變形影響較大,由下穿區(qū)域向兩側(cè)逐漸減小。最大沉降值為2.836 mm;沉降槽寬度約為58.0 m(沉降大于1.000 mm范圍)。暗挖段沉降變形主要受垂直下穿段施工影響,既有車站兩側(cè)6 m范圍外新建盾構(gòu)區(qū)間施工既有站新增沉降小于0.150 mm,基本無影響。水平變形相對(duì)較小,最大水平變形為0.893 mm,位于車站東側(cè)明挖段部位,各部位以靠近盾構(gòu)區(qū)間的沉降變形為主。

隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,車站沉降和水平位移逐漸增大,沉降最大值達(dá)到1.769 mm,水平位移最大值達(dá)到0.372 mm,水平位移值僅為沉降值21%,地鐵站變形以沉降為主。隨左線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,車站沉降和水平位移繼續(xù)逐漸增大,但沉降最大值增幅較多達(dá)到2.836 mm,增幅比例為60.3%;水平位移最大值增幅達(dá)到0.893 mm,但小于1.000 mm,地鐵站變形以沉降為主。

3.2 變形縫差異沉降

選擇變形縫處不同位置點(diǎn)進(jìn)行變形統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2所列。仿真變形縫差異沉降如圖8所示。由圖8可知,盾構(gòu)穿越施工會(huì)造成車站兩處變形縫量測(cè)產(chǎn)生一定差異沉降。整體上變形縫一差異沉降變形較小,沉降最大值為0.150 mm,發(fā)生在底板跨中位置;變形縫二整體上差異沉降變形大于變形縫一,單發(fā)生位置和變形縫一同在底板跨中處,結(jié)構(gòu)兩側(cè)差異變形為0.860 mm,不會(huì)影響地鐵站結(jié)構(gòu)的正常使用。

圖8 仿真變形縫差異沉降曲線

3.3 軌道沉降

提取每一工況軌道豎向位移值并繪制曲線,如圖9所示。

圖9 仿真軌道沉降曲線

由圖9可知,地鐵站影響范圍內(nèi)雙線軌道主要受盾構(gòu)區(qū)間下穿影響,隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,左、右線軌道沉降均逐漸增大,左線沉降最大值達(dá)到0.480 mm,右線沉降最大值達(dá)到0.530 mm;隨左線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,左、右線軌道沉降均繼續(xù)逐漸增大,左線沉降最大值達(dá)到0.730 mm、增幅比例為52.1%,右線沉降最大值達(dá)到0.790 mm、增幅比例為49.1%。

4 監(jiān)測(cè)分析

收集施工過程中各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果并繪制曲線,如圖10所示。

圖10 監(jiān)測(cè)車站位移、差異沉降、軌道沉降曲線

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:

1) 隨左線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,車站沉降和水平位移逐漸增大,沉降最大值達(dá)到1.682 mm,水平位移最大值達(dá)到0.299 mm,水平位移值僅為沉降值的17.8%,地鐵站變形以沉降為主。隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,車站沉降和水平位移繼續(xù)逐漸增大,但沉降最大值增幅較多達(dá)到2.015 mm,增幅比例為19.8%;水平位移最大值增幅較小僅達(dá)到0.801 mm,,但小于1.000 mm,地鐵站變形以沉降為主。

2) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果,2條變形縫中,最大差異沉降位于車站主體暗挖段底板?？缰刑幾冃慰p二結(jié)構(gòu)兩側(cè)的差異變形最大為0.720 mm,不會(huì)影響車站結(jié)構(gòu)的正常使用。

3) 由軌道變形結(jié)構(gòu)可知,地鐵站影響范圍內(nèi)雙線軌道主要受盾構(gòu)區(qū)間下穿影響,隨左線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,左、右線軌道沉降均逐漸增大,左線沉降最大值達(dá)到0.390 mm,右線沉降最大值達(dá)到0.460 mm;隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,左、右線軌道沉降均繼續(xù)逐漸增大,左線沉降最大值達(dá)到0.590 mm,增幅比例為51.3%,右線沉降最大值達(dá)到0.690 mm,增幅比例為50.0%。

從圖7～圖10可以看出,監(jiān)測(cè)數(shù)值與仿真計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致,總體而言監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均小于仿真計(jì)算結(jié)果,但兩者數(shù)據(jù)顯示最大值發(fā)生位置基本一致,佐證了模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

本文對(duì)砂卵石富水區(qū)域盾構(gòu)小凈距穿越單洞雙線暗挖站施工過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。整理施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果并與模擬計(jì)算趨勢(shì)比對(duì),變化規(guī)律基本一致,佐證了仿真計(jì)算的可靠性。結(jié)論如下:

1) 隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,車站沉降和水平位移逐漸增大,施工監(jiān)測(cè)顯示:車站沉降最大值2.015 mm,位移最大值0.801 mm,均小于模擬結(jié)果,此外地鐵站沉降及位移變化趨勢(shì)與模擬結(jié)果基本一致。

2) 盾構(gòu)穿越施工會(huì)造成車站兩處變形縫量測(cè)產(chǎn)生一定差異沉降。施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:差異沉降發(fā)生最大位置為變形縫二,最大值為0.720 mm,不會(huì)影響車站結(jié)構(gòu)的正常使用。

3) 隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,左、右線軌道沉降均逐漸增大。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:左線沉降最大值達(dá)到0.590 mm,右線沉降最大值達(dá)到0.690 mm,小于但接近模擬結(jié)果。