鄧嘉寧 DENG Jia-ning

（佛山軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，佛山 528315）

0 引言

隨著城市軌道交通的逐步發(fā)展，地鐵線網(wǎng)不斷完善優(yōu)化，地鐵工程修建過(guò)程中不可避免存在穿越在建地鐵車站及城際車站的情況。盾構(gòu)穿越在建車站過(guò)程中造成土體應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)的改變，將會(huì)對(duì)在建車站的安全性產(chǎn)生較大的影響。

為了評(píng)估盾構(gòu)區(qū)間在近距離下穿在建車站的安全性，分析其在盾構(gòu)施工進(jìn)行時(shí)的位移和內(nèi)力。本文以佛山某地鐵線為例，該地鐵盾構(gòu)下穿某在建城際站，采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行分析。根據(jù)工程概況及地質(zhì)條件，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算及最終監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，結(jié)果表明：盾構(gòu)隧道的施工對(duì)在建車站產(chǎn)生應(yīng)力及位移變化，但相關(guān)影響均滿足相應(yīng)規(guī)范要求，通過(guò)嚴(yán)控施工質(zhì)量等手段能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)穿越在建車站。本文擬對(duì)相關(guān)類似工程提供參考[1]。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

在建城際車站總長(zhǎng)740m，為地下2 層側(cè)式站，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬約51.72m，基坑深約20.60m，采用明挖順筑法施工；車站基坑采用1m 厚地下連續(xù)墻+4 道內(nèi)支撐形式。

某地鐵區(qū)間為外徑6m 的盾構(gòu)區(qū)間，地鐵工程與在建城際車站垂直交叉，前期與相關(guān)權(quán)屬單位溝通協(xié)調(diào)后，城際車站結(jié)構(gòu)底板下方增加樁基礎(chǔ)，預(yù)留節(jié)點(diǎn)盾構(gòu)區(qū)間通過(guò)。在地鐵區(qū)間穿越城際車站兩側(cè)1m 范圍增加直徑為1.5m 的樁基礎(chǔ)，在盾構(gòu)區(qū)間穿越連續(xù)墻9m 范圍預(yù)留玻璃纖維筋，地鐵右線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離城際車站底板最小距離為0.851m，地鐵左線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離城際車站底板最小距離為0.808m；地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)距離城際車站樁基礎(chǔ)均約1m。

地鐵盾構(gòu)施工穿越車站期間，車站僅完成中板及底板結(jié)構(gòu)，第一、二道支撐尚未拆除。

圖1 工程項(xiàng)目總平面示意圖

1.2 地質(zhì)條件

城際基坑范圍場(chǎng)地主要為雜填土層、粉質(zhì)黏土、海陸交互相淤泥質(zhì)土、沖積—洪積層中粗砂層及強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖；隧道洞身范圍主要為海陸交互相淤泥質(zhì)土及強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。（圖2）

圖2 項(xiàng)目地質(zhì)縱斷面示意圖

圖3 有限元模型圖

圖4 右線隧道下穿對(duì)連續(xù)墻總位移云圖

圖5 右線隧道下穿對(duì)連續(xù)墻彎矩云圖

2 有限元建模

地鐵隧道工程先施工右線區(qū)間結(jié)構(gòu)，后施工左線區(qū)間結(jié)構(gòu)，其對(duì)在建城際站的影響無(wú)法用傳統(tǒng)解析法計(jì)算，需采用有限元法進(jìn)行模擬計(jì)算。本次設(shè)計(jì)計(jì)算采用某巖土專用有限元分析軟件，該軟件可用于巖土工程變形和穩(wěn)定性的大型數(shù)值計(jì)算模擬。三維模擬分析計(jì)算時(shí)須充分結(jié)合本工程的地層分布特點(diǎn)合理選取計(jì)算參數(shù)。對(duì)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件及地層的有限元模擬，采用實(shí)體單元模擬地層，板單元模擬車站結(jié)構(gòu)、連續(xù)墻、隧道管片，梁?jiǎn)卧M內(nèi)支撐等。本次分析采用水土分算的模式，摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則仿真模擬地層。三維有限元計(jì)算模型的邊界條件為：模型底部Z 方向位移約束，模型前后面Y 方向約束，模型左右面X 方向約束[2]。

根據(jù)施工的特點(diǎn)，地鐵右線區(qū)間隧道已盾構(gòu)始發(fā)施工，待城際站中板實(shí)施完成后穿越在建城際站，待車站主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，地鐵左線盾構(gòu)穿越。數(shù)值模擬始于基坑開(kāi)挖前初始狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際基坑開(kāi)挖、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)順序，對(duì)城際車站全開(kāi)挖過(guò)程及盾構(gòu)穿越的全過(guò)程（進(jìn)入影響區(qū)、到達(dá)結(jié)構(gòu)線、下穿、脫出結(jié)構(gòu)線、脫離影響區(qū)）進(jìn)行分析認(rèn)為：

①進(jìn)入城際車站影響區(qū)、到達(dá)結(jié)構(gòu)線兩個(gè)過(guò)程中，盾構(gòu)對(duì)車站連續(xù)墻影響較小。

②在脫離城際車站影響區(qū)過(guò)程中，盾構(gòu)施工不會(huì)加劇對(duì)城際車站的影響。

③在盾構(gòu)下穿城際車站和脫出結(jié)構(gòu)線的過(guò)程中，對(duì)穿越過(guò)程進(jìn)行模擬，取盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中最不利條件下的位置進(jìn)行計(jì)算分析，本工程采用先進(jìn)行右線隧道盾構(gòu)施工，后進(jìn)行左線隧道盾構(gòu)施工的順序，盾構(gòu)機(jī)兩次下穿在建城際站。經(jīng)研究：在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，右線盾構(gòu)機(jī)刀盤與在建車站底板凈距0.71m 為最不利位置，左線盾構(gòu)機(jī)刀盤與在建車站底板凈距0.67m 最不利位置。根據(jù)最不利條件下盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)既有車站的影響，判定盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中是否影響在建城際站結(jié)構(gòu)安全[3]。

3 結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

為了更好地分析施工項(xiàng)目，特意對(duì)其在兩個(gè)工況下的城際車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，工況一為車站主體結(jié)構(gòu)中板施工完畢后，右線區(qū)間進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)通過(guò)；工況二為車站主體結(jié)構(gòu)封頂回填完畢后，左線區(qū)間進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)通過(guò)[4]。

3.1 連續(xù)墻變形及受力分析

分析車站主體結(jié)構(gòu)中板施工完畢后，右線區(qū)間進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)通過(guò)，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻及受力的影響。

隨著支撐拆除和右線盾構(gòu)隧道下穿，連續(xù)墻最大水平位移、豎向位移、總位移值分別為27.83mm、1.367mm、27.94mm，盾構(gòu)下穿對(duì)連續(xù)墻變形影響很小。右線隧道下穿過(guò)程中連續(xù)墻最大彎矩值1405.4kN·m，最大剪力值467.9kN。

結(jié)果表明：城際車站連續(xù)墻配筋E32@75 及變形滿足要求。

3.2 主體結(jié)構(gòu)分析

分析車站主體結(jié)構(gòu)中板施工完畢后，右線區(qū)間進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)；車站主體結(jié)構(gòu)封頂回填完畢后，左線區(qū)間進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。將沉降及受力計(jì)算分析所得結(jié)果圖列舉如下，由于篇幅有限，僅列舉雙線貫通沉降圖。

①主體結(jié)構(gòu)變形分析（圖6）。

圖6 雙線貫通沉降圖

單線隧道貫通和雙線隧道貫通前后城際站發(fā)生一定程度的沉降。單線貫通時(shí)在隧道中心線處沉降最大為14.85mm，車站沉降為1.95mm；雙線貫通后在兩線隧道中心連線的中垂線位置沉降最大為15.73mm，車站沉降為0.59mm。

結(jié)果表明：城際站沉降能夠滿足《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10623-2014）要求：與橋梁、隧道或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后沉降差不應(yīng)大于5mm，無(wú)砟軌道靜態(tài)鋪設(shè)的允許沉降偏差不應(yīng)大于2mm，可以進(jìn)行無(wú)砟軌道施工作業(yè)，保證軌道的平順度。城際站最大沉降為1.95mm，變形不會(huì)對(duì)車站結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大影響[5]。

②主體結(jié)構(gòu)受力分析（圖7）。

圖7 雙線貫通沉降圖

圖8 盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)沉降圖

由圖7 可知，單線隧道貫通時(shí)車站底板最大壓應(yīng)力為0.99MPa，最大拉應(yīng)力為0.22MPa，樁基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力為1.24MPa，最大拉應(yīng)力為0.29MPa；雙線隧道貫通時(shí)車站結(jié)構(gòu)底板最大壓應(yīng)力為1.0MPa，最大拉應(yīng)力為0.23MPa，樁基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力為1.22MPa，最大拉應(yīng)力為0.30MPa。城際站主體結(jié)構(gòu)采用C40 混凝土，樁基礎(chǔ)采用C35 混凝土，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）C40 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71MPa、軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1MPa，C35 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.57MPa、軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為16.7MPa，盾構(gòu)下穿車站對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力及拉力皆小于設(shè)計(jì)值。

結(jié)果表明：城際站結(jié)構(gòu)底板及樁基礎(chǔ)滿足受力要求[6]。

4 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，右線穿越城際站最大沉降為2.12mm，左線穿越城際站最大沉降為2.28mm。施工證明通過(guò)采取控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等有效措施，可有效控制地鐵施工對(duì)在建城際車的影響。

5 建議

通過(guò)分析和論證提出如下建議：

①盾構(gòu)施工過(guò)程中，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度、頂推力、同步注漿、二次注漿嚴(yán)格控制。施工過(guò)程應(yīng)保證24 小時(shí)連續(xù)、平穩(wěn)作業(yè)，及時(shí)同步及二次補(bǔ)充注漿。施工中應(yīng)嚴(yán)格貫徹信息化施工原則，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)，同時(shí)應(yīng)采取有效措施確保管片背后填充密實(shí)同時(shí)確保掘進(jìn)及后續(xù)注漿對(duì)城際車站結(jié)構(gòu)不造成不利影響。

②在推進(jìn)到達(dá)城際車站影響范圍前10m 左右時(shí)，按照穿越城際車站的各種推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行推進(jìn)，根據(jù)地面沉降等各種反應(yīng)出來(lái)的變化不斷地調(diào)整推進(jìn)參數(shù)，達(dá)到推進(jìn)的理想?yún)?shù)配置，為真正穿越城際車站取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

③盾構(gòu)推進(jìn)期間至施工結(jié)束后最少三個(gè)月內(nèi)（應(yīng)觀測(cè)到車站變形穩(wěn)定為止），必須進(jìn)行同步跟進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)城際鐵路線下工程結(jié)構(gòu)、軌道實(shí)施全過(guò)程監(jiān)測(cè)。地鐵施工過(guò)程中不得影響城際鐵路運(yùn)行。

6 結(jié)論

本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿在建車站為例，對(duì)其進(jìn)行有限元分析及施工監(jiān)測(cè)分析。計(jì)算結(jié)果表明：地鐵穿越在建城際車站的沉降和受力均滿足要求，處在安全范圍內(nèi)，但由于建設(shè)的重要性，在進(jìn)行施工過(guò)程中應(yīng)保證24小時(shí)連續(xù)對(duì)沉降進(jìn)行監(jiān)控，以防止造成不利影響。