李 紅 柯 磊 李宣潁 周 浩 肖 波 張姣龍

(1.中鐵五局集團(tuán)第五工程有限責(zé)任公司, 423002, 郴州; 2.中鐵五局集團(tuán)有限公司, 550003, 貴陽; 3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 200092, 上海; 4.上海同濟(jì)綠建土建結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化工程技術(shù)有限公司, 200092, 上海)

小盾構(gòu)先行、大盾構(gòu)擴(kuò)挖是一套全新的先隧后站的城市軌道交通車站施工方法,首次在深圳地鐵14號線(以下簡稱“14號線”)腫瘤醫(yī)院站實(shí)施。該方法在小盾構(gòu)內(nèi)部回填后形成人工復(fù)合地層,采用大盾構(gòu)在該地層中進(jìn)行擴(kuò)挖進(jìn)而形成車站。大盾構(gòu)擴(kuò)挖過程中,周圍地層必將受隧道施工擾動(dòng)產(chǎn)生變形[1],且難以預(yù)測大盾構(gòu)在這種人工復(fù)合地層中掘進(jìn)引起的地層穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[2]采用三維彈塑性有限元方法,研究了盾構(gòu)掘進(jìn)對隧道周圍地層應(yīng)力及變形的影響情況。文獻(xiàn)[3]采用有限差分程序Flac3D,分析了復(fù)合地層中TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))開挖后隧道結(jié)構(gòu)的三維彈塑性位移、主應(yīng)力,以及塑性破壞分布變化特征,研究表明不同埋深和不同復(fù)合地層的不同疊置形式對地層的穩(wěn)定性有顯著影響。

本文采用MIDAS/GTS軟件模擬小盾構(gòu)先行開挖且回填后,大盾構(gòu)在形成的人工復(fù)合地層中掘進(jìn)引起的地層穩(wěn)定性,研究回填材料和車站埋深對地面沉降以及大盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力的影響,以期為14號線腫瘤醫(yī)院站的施工提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

14號線串聯(lián)深圳市福田中心、清水河、布吉、橫崗、龍崗大運(yùn)新城、坪山中心、坑梓、沙田等區(qū)域,覆蓋深圳市東部地區(qū)南北向交通需求走廊,是聯(lián)系深圳市中心區(qū)與東部組團(tuán)的城市軌道交通快線,是支撐深圳市東部發(fā)展軸的城市軌道交通骨干線,是支持深圳市東進(jìn)戰(zhàn)略實(shí)施的重要交通保障。本線路設(shè)計(jì)速度為120 km/h,它將快速拉近深圳中心區(qū)與東部各組團(tuán)間的時(shí)空距離,滿足區(qū)域內(nèi)以及組團(tuán)間的快速通勤需求。

新增腫瘤醫(yī)院站位于14號線大運(yùn)站—寶荷站區(qū)間,全長約264 m。該車站施工內(nèi)容包含地下側(cè)式站臺、地面站廳、車站兩端豎井等,隧道埋深為21～45 m。腫瘤醫(yī)院站縱剖面圖見圖1。

圖1 腫瘤醫(yī)院站縱剖面圖

1.1 地質(zhì)條件

依據(jù)已有地質(zhì)資料,結(jié)合鉆探所揭露地層、室內(nèi)土工試驗(yàn)成果及原位測試資料,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,按不同成因時(shí)代、不同土類別、不同狀態(tài),對地層進(jìn)行劃分。地下水位埋深為2.5～29.5 m,高程為42.97～85.28 m。測得的巖溶水穩(wěn)定水位埋深為12.0～46.50 m,水位高程為29.80～59.86 m。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn),地下水位的年平均變化幅度為2.0～10.0 m,雨季期間地下水位較高。腫瘤醫(yī)院站地質(zhì)剖面圖如圖2所示。各地層工程特性指標(biāo)如表1所示。

圖2 腫瘤醫(yī)院站地質(zhì)剖面圖

表1 腫瘤醫(yī)院站巖土層工程特性指標(biāo)

1.2 施工工法

腫瘤醫(yī)院站是14號線整條線路開工建設(shè)兩年后,在原有規(guī)劃區(qū)間隧道上新增的地鐵車站。該車站建設(shè)批復(fù)完成后,用于區(qū)間隧道掘進(jìn)的小盾構(gòu)即將掘進(jìn)到該車站位置,為了避免小盾構(gòu)機(jī)長時(shí)間停機(jī)等待車站開挖造成的資源浪費(fèi),以及延誤整條隧道的貫通時(shí)間,新增車站擬采取先隧后站的施工策略,即小盾構(gòu)先行、大盾構(gòu)擴(kuò)挖的施工工法。

在滿足現(xiàn)行規(guī)范要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,小盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用低標(biāo)號混凝土玻璃纖維筋管片。小盾構(gòu)機(jī)先行通過車站區(qū)段后,選定合適的大盾構(gòu)設(shè)備和擴(kuò)挖方案,再用大盾構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)挖,最后在大盾構(gòu)隧道內(nèi)快速建造側(cè)式站臺車站。

本研究重點(diǎn)關(guān)注大盾構(gòu)擴(kuò)挖引起的地層響應(yīng)和大盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。大盾構(gòu)擴(kuò)挖的掘進(jìn)工作面是由小盾構(gòu)管片、內(nèi)部回填材料、外部注漿層及自然地層組成的人工復(fù)合地層,如圖3所示。小盾構(gòu)管片外徑為6 700 mm,厚度為350 mm,采用C40混凝土和玻璃纖維筋制作而成;大盾構(gòu)管片外徑為8 500 mm,厚度為350 mm,采用C50鋼筋混凝土。內(nèi)部回填材料的選擇范圍包括C40混凝土、C15混凝土及小盾構(gòu)排出的渣土。整個(gè)車站范圍內(nèi)的小隧道全長約200 m,沿隧道縱向分為4段,每段長50 m。擬采取分段分層回填策略,回填前需將連接管片的螺栓拆除,使用混凝土輸送泵進(jìn)行澆筑。C40混凝土或C15混凝土采用常規(guī)的商品混凝土,對于小盾構(gòu)排出的渣土而言,則需在現(xiàn)場攪拌一定量的水泥基復(fù)合固化劑,形成可泵送、可固化的渣土拌合料。

圖3 大盾構(gòu)掘進(jìn)橫斷面示意圖

2 數(shù)值模型的建立

2.1 計(jì)算模型

本研究采用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。建模時(shí),先確定圍巖和結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù),設(shè)置模型的邊界條件,施加自重荷載,得到圍巖的自重應(yīng)力場。根據(jù)大盾構(gòu)施工步序,采用施工階段助手鈍化和激活單元,模擬盾構(gòu)推進(jìn)過程;通過改變單元屬性的邊界條件模擬注漿過程,同時(shí)添加注漿壓力;通過在土體表面施加環(huán)向力模擬刀盤與土體間的切削作用。采用編輯好的施工階段,進(jìn)行模擬分析。分析完畢后,通過可視化樹形菜單,快速查看位移、應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù),從而分析地層沉降和結(jié)構(gòu)受力規(guī)律。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,研究區(qū)間土層分布有粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂巖、土狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖、塊狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖及中等風(fēng)化砂巖。巖土層的物理力學(xué)見表1。地層材料采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則;隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)材料均采用彈性準(zhǔn)則。隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

考慮盾構(gòu)施工過程中其支撐及支護(hù)的及時(shí)性,開挖應(yīng)力釋放系數(shù)取0.2?？紤]到盾構(gòu)管片接頭對管片結(jié)構(gòu)剛度的影響,將管片結(jié)構(gòu)剛度折減20%。

2.3 計(jì)算工況

本數(shù)值模擬重點(diǎn)分析小盾構(gòu)回填方案,以及隧道埋深對地層沉降和大盾構(gòu)結(jié)構(gòu)受力的影響。根據(jù)研究目標(biāo),設(shè)計(jì)7個(gè)計(jì)算工況,如表3所示。其中:工況1—工況3在保持隧道埋深 45 m不變的情況下,重點(diǎn)考察回填材料強(qiáng)度遞減的影響。工況4是指在小盾構(gòu)內(nèi)部不回填的特殊情況下進(jìn)行大盾構(gòu)的掘進(jìn),旨在通過與工況1—工況3對比,探究小盾構(gòu)內(nèi)部回填的必要性。工況2、工況5—工況7均采用C15混凝土回填,且分別考慮不同埋深的隧道斷面,旨在考察埋深對地層和盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

表3 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同回填材料的影響

大盾構(gòu)隧道開挖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)施作完成后,地層和管片的豎向位移和最大應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。由圖4可見:模型最大沉降量發(fā)生在隧道中心線對應(yīng)的地面點(diǎn);回填材料從C40混凝土分別變更為C15混凝土和渣土,隨著回填材料強(qiáng)度和剛度遞減,地面最大沉降量從2.4 mm分別增加到2.6 mm和9.2 mm,但均在毫米級范圍內(nèi),遠(yuǎn)小于SJG 135—2023《深圳市工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)》對地面沉降量的限制要求(30 mm)。

a) 回填材料為C40混凝土

b) 回填材料為C15混凝土

c) 回填材料為渣土

a) 回填材料為C40混凝土

b) 回填材料為C15混凝土

c) 回填材料為渣土

由圖5可見:盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰外弧面;回填材料分別采用C40混凝土、C15混凝土及渣土的情況下,盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分別為789 kPa、795 kPa、895 kPa。由此可見,盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力隨回填材料強(qiáng)度的增加而有所增加,但增加幅度不大。

綜上,隨著回填材料強(qiáng)度的降低,地面沉降和盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力均有所增加,但均在可接受范圍內(nèi)。渣土回填需要特殊的固化處理工藝,相較而言,混凝土的泵送工藝較為成熟,因此建議采用混凝土回填。C15混凝土相比C40混凝土成本較低,建議優(yōu)先選用C15混凝土回填方案。

為進(jìn)一步探究小盾構(gòu)回填的必要性,對比分析不回填工況和不同回填材料工況的計(jì)算結(jié)果,如表4所示。由表4可見:相比前3個(gè)回填工況而言,不回填工況下,地面沉降、盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力、拱頂豎向位移及拱頂水平位移均顯著增加。以C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.64 MPa與盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力的比值作為結(jié)構(gòu)抗裂安全系數(shù),3種不同回填材料工況下的結(jié)構(gòu)抗裂安全系數(shù)分別為3.35、3.32、3.07,但不回填工況下的結(jié)構(gòu)抗裂安全系數(shù)減低至2.28。此外,大盾構(gòu)在不回填的地層中掘進(jìn)可能會遇到類似于穿越巖溶發(fā)育區(qū)常有的隧道軸線偏移、突泥涌水等工程風(fēng)險(xiǎn)[4],因此,小盾構(gòu)內(nèi)部回填是必要的。

表4 不同回填材料工況下地層和隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

3.2 不同埋深的影響

地層沉降和盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力隨埋深變化曲線,如圖6所示。由圖6可見:不同埋深下地層沉降量均較小,最大值僅為2.82 mm;盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力隨隧道埋深增加而顯著增加,當(dāng)埋深由21 m增加到45 m時(shí),盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力增加約2倍,這主要是地應(yīng)力隨埋深增加的結(jié)果。

圖6 地面沉降和盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨埋深變化曲線

3.3 工程驗(yàn)證

綜上,14號線腫瘤醫(yī)院站最終采取C15混凝土回填方案。大盾構(gòu)擴(kuò)挖過程中,施工監(jiān)測單位對地面沉降進(jìn)行了監(jiān)測,結(jié)果顯示最大沉降量為3.1 mm,與計(jì)算分析結(jié)果基本相符。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)小盾構(gòu)隧道分別采用C40混凝土、C15混凝土及渣土回填時(shí),隨著回填材料強(qiáng)度遞減,大盾構(gòu)開挖引起的地層位移遞增,盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力亦遞增。

2) 當(dāng)回填材料為C15混凝土和C40混凝土?xí)r,盾構(gòu)掘進(jìn)對圍巖與地層的影響不大。建議本工程采用C15混凝土的回填方案。

3) 大盾構(gòu)在小盾構(gòu)隧道不回填的情況下直接掘進(jìn),存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

4) 埋深在21～45 m范圍內(nèi),對地面沉降的影響不明顯;隨著埋深增加,地應(yīng)力顯著增加,隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力亦隨之增加。

5) 14號線腫瘤醫(yī)院站最終采取C15混凝土回填方案,地面沉降監(jiān)測基本符合數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果。