鄭州地鐵盾構(gòu)隧道下穿加油站的沉降分析

康永勝

(鄭州市軌道交通有限公司，河南鄭州 450046)

0 引言

盡管盾構(gòu)法的機(jī)械化程度高、地層適應(yīng)能力強(qiáng)，且已被廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)中，但盾構(gòu)施工會引起上覆土層變形，因此，盾構(gòu)近距離穿越既有隧道、管線、鐵路、建筑物和橋墩基礎(chǔ)等引起的不利影響已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一［1］。

國內(nèi)外許多學(xué)者對盾構(gòu)施工穿越問題展開了大量研究:Peck［2］于1969年首次提出地層損失的概念，并建議用Gauss分布函數(shù)(即Peck公式)描述盾構(gòu)施工引起的地表沉降;李東海等［3］研究了盾構(gòu)隧道斜交下穿既有地鐵車站引起的沉降影響;彭坤等［4］研究了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道開挖對承臺樁基工作性狀的影響，分析了2種不同的加固方法對地表和樁身變形的控制;王建秀等［5］研究了超大直徑盾構(gòu)下穿保護(hù)建筑群地面沉降規(guī)律;孫長軍等［6］以北京地鐵十四號線的大直徑土壓平衡盾構(gòu)穿越建筑物施工為例，利用數(shù)值模擬對建筑物沉降進(jìn)行了預(yù)測，并與工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析;李旺旺等［7］以北京昌平線二期工程盾構(gòu)側(cè)穿橋梁為例，采集橋樁和地表沉降變化數(shù)據(jù)，結(jié)合盾構(gòu)推進(jìn)土壓和注漿量，分析了橋樁及橋梁周邊地表在不同階段的沉降變形情況。

目前許多文獻(xiàn)對地鐵盾構(gòu)下穿既有建(構(gòu))筑物進(jìn)行了數(shù)值模擬和監(jiān)測分析，但未見關(guān)于下穿加油站的研究報(bào)道。鄭州地鐵1號線的03區(qū)間標(biāo)段盾構(gòu)施工需下穿1個(gè)加油站，儲油罐距離盾構(gòu)隧道很近，屬Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)源，本文提出針對性的盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施，利用ANSYS軟件對盾構(gòu)掘進(jìn)過程引起的地表和儲油罐沉降進(jìn)行了計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)證明了該控制措施的可行性。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

鄭州地鐵1號線03區(qū)間的左線長度為1 426單線延米，右線長度為1 448單線延米，左線短鏈為22 m，該區(qū)間下穿1個(gè)加油站，加油站儲油罐距離盾構(gòu)始發(fā)井45 m，平面位置如圖1所示。

圖1 地鐵線路與加油站的平面示意圖Fig.1 Plan sketch showing relationship between Metro line and oil station

1.2 儲油罐參數(shù)

加油站共平行布置3個(gè)埋地儲油罐，中心間距為5.0 m，尺寸相同，容積均為50 m3，其形狀可簡化為兩端為半球體、中間為圓柱體的軸對稱結(jié)構(gòu)，罐體總長為9.25 m，內(nèi)徑為 1.4 m，筒體壁厚為 8.0 mm，封頭壁厚為10.0 mm，儲油罐中心距離地表4.0 m(儲油罐與地表凈距為2.52 m)，儲油罐的縱向剖面如圖2所示。

圖2 儲油罐縱剖面圖(單位:m)Fig.2 Longitudinal profile of oil tank(m)

1.3 盾構(gòu)施工條件

區(qū)間盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)由鋼筋混凝土制成，混凝土材料為C50，管片環(huán)外直徑為6.0 m，內(nèi)直徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m，幅寬為1.5 m。管片結(jié)構(gòu)由1個(gè)封頂塊、2個(gè)鄰接塊和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)筑成襯砌環(huán)，2個(gè)盾構(gòu)隧道中心間距為13.9 m，凈距為7.9 m，盾構(gòu)隧道中心埋深均為15.5 m，儲油罐的軸線與盾構(gòu)的軸線垂直，3個(gè)儲油罐與左線盾構(gòu)隧道的豎向凈距為7.0 m，水平凈距為2.7 m，盾構(gòu)隧道與儲油罐的橫截面如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道與儲油罐的橫截面圖(單位:m)Fig.3 Profile showing relationship between shield-bored tunnel and oil tank(m)

1.4 盾構(gòu)下穿施工風(fēng)險(xiǎn)等級

該加油站的儲油罐總?cè)莘eV為150 m3(120＜V＜180)，根據(jù)GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》［8］判定該加油站屬于一級加油站。由于儲油罐與盾構(gòu)隧道距離很近，根據(jù)GB 50652—2011《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》［9］，盾構(gòu)施工下穿該加油站的風(fēng)險(xiǎn)等級判定為Ⅰ級，因此，必須采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)過程控制措施

土體開挖臨空面，在土壓力的作用下，土體側(cè)向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，引起地層損失從而誘發(fā)盾構(gòu)隧道上方的地面沉降;因此，為控制地面沉降，采用的盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)和措施如下。

1)為減小2個(gè)盾構(gòu)施工的疊加影響，先進(jìn)行左線盾構(gòu)掘進(jìn)施工，再進(jìn)行右線盾構(gòu)掘進(jìn)施工，兩者的距離間距由原設(shè)計(jì)的50環(huán)調(diào)整為100環(huán)，距離間距為150 m，時(shí)間間隔約12 d，能夠保證左線土體的注漿加固效果，進(jìn)而可以有效減小2個(gè)盾構(gòu)之間的干擾和影響。

2)土艙壓力設(shè)定為靜止土壓力的1.05～1.10倍，盾構(gòu)的千斤頂總推力控制在7 000～11 000 kN，刀盤馬達(dá)扭矩控制在總扭矩的25% ～35%，掘進(jìn)速度控制在 20 ～35 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速控制在 1.0 ～1.5 r/min，日掘進(jìn)量適當(dāng)減小，由原設(shè)計(jì)的10環(huán)調(diào)整為8環(huán)，保證盾構(gòu)平穩(wěn)通過加油站。

3)同步注漿壓力控制值在0.2～0.3 MPa，同步注漿量可控制在盾尾間隙的150% ～200%，同步注漿時(shí)要求在壓入口的壓力大于該點(diǎn)的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補(bǔ)而不是劈裂。

4)二次注漿必須及時(shí)進(jìn)行，范圍控制在距離盾尾3環(huán)以后的管片，采用水泥－水玻璃雙液漿，水泥漿水灰質(zhì)量比為0.8 ～0.9，水玻璃與水質(zhì)量比按 1∶1.5進(jìn)行稀釋，注入時(shí)漿液與水玻璃體積比為水泥漿∶水玻璃=4∶1，二次注漿的水泥漿注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa，水玻璃雙液漿注漿壓力控制在0.3 ～0.6 MPa，確保管片背后填充密實(shí)。

若采取上述盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施后，沉降仍接近報(bào)警值，則采取地表補(bǔ)償注漿措施:1)地表沉降報(bào)警，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定補(bǔ)償性注漿的加固范圍(地表沉降區(qū)域向外各延伸3.0 m)，注漿孔徑為76 mm，間距為1.0 m，深度為4.0 m;2)油庫沉降報(bào)警，則沿儲油罐四周注漿，注漿孔徑為76 mm，間距為0.5 m，深度為6.0 m。待土體達(dá)到加固效果，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，方可繼續(xù)掘進(jìn)施工。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)值模擬

3.1 材料參數(shù)和有限元模型

采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，模型尺寸取值如下:1)高度，由地表向下取至隧道底以下3D(D為盾構(gòu)的直徑)，即 12.5+6+3×6=36.5 m;2)寬度，取至盾構(gòu)兩外側(cè) 6D，即 7.9+14×6=91.9 m;3)長度取10D，即10×6=60.0 m。3個(gè)儲油罐的中心間距為5.0 m，尺寸如圖2所示。

盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)地層土體主要為粉質(zhì)黏土，主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層的主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Main physical and mechanical parameters of soil strata

儲油罐的材料為Q235，盾構(gòu)管片材料為C50，主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 儲油罐和管片的主要物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Main physical and mechanical parameters of oil tank and segments

3.2 盾構(gòu)下穿引起的沉降分析

有限元模型的四周邊界采用法向約束，底邊界采用固定約束，上邊界自由，盾構(gòu)內(nèi)邊界自由，施加重力加速度。

對3個(gè)儲油罐按距離始發(fā)井由近及遠(yuǎn)標(biāo)記為1#、2#、3#。取 6 個(gè)工況:工況 1，1#空、2#空、3#空;工況 2，1#滿、2#空、3#空;工況 3，1#空、2#滿、3#空;工況 4，1#滿、2#滿、3#空;工況 5，1#滿、2#空、3#滿;工況 6，1#滿、2#滿、3#滿。

通過有限元計(jì)算，得到了地面最大沉降(盾構(gòu)開挖之后與開挖之前的沉降之差)，典型的沉降云圖(中間位置，即長度方向30.0 m處)如圖4所示，并給出了工況1和工況6的地表沉降曲線，如圖5所示。

圖4 盾構(gòu)施工引起的沉降云圖Fig.4 Contour of settlement induced by shield tunneling

圖5 地表沉降槽曲線Fig.5 Curves of ground surface settlement trough

比較圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn):1)左線盾構(gòu)掘進(jìn)完成時(shí)，地表沉降槽曲線基本呈左右對稱的V形，工況1和工況 6的最大地表沉降值為 －7.57 mm和－8.96 mm，左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)全部完成時(shí)，地表沉降槽曲線則呈左右對稱的W形，工況1和工況6的最大地表沉降值為－8.91 mm和－10.54 mm，后者的最大沉降值略大于前者，說明雙線盾構(gòu)施工存在著相互影響;2)儲油罐內(nèi)的存油與否對地表沉降具有一定的影響，滿罐和空罐時(shí)儲油罐上方的地表沉降相差(工況6與工況1之差)分別為－1.22 mm(左線盾構(gòu)完成)和－1.28 mm(左右線盾構(gòu)全完成)，說明儲油罐儲滿油時(shí)，對地表沉降有一定的影響，但影響很小，因此，盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，加油站可以正常營業(yè)，但應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測、并制訂應(yīng)急預(yù)案;3)地表的最大沉降發(fā)生在2個(gè)盾構(gòu)隧道的正上方，而隧道兩側(cè)4D之外區(qū)域的沉降為零，即地鐵盾構(gòu)的影響區(qū)域主要集中在盾構(gòu)隧道中心線的4D范圍之內(nèi)。

表3給出了計(jì)算得到的6個(gè)工況的地面和儲油罐的最大沉降。

表3 計(jì)算得到的最大沉降Table 3 Maximum settlement calculated

表3的計(jì)算結(jié)果表明，對于最不利情況(3個(gè)儲油罐全部儲滿汽油，且左、右線盾構(gòu)全部施工完成)，盾構(gòu)施工引起的地表最大沉降為－10.54 mm，儲油罐的最大沉降為－7.88 mm、最大傾斜率為0.62‰。該加油站為Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)源，加油站負(fù)責(zé)人員、建設(shè)單位和安全評估專家根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［10］確定該加油站地面累計(jì)沉降控制值為－15.0 mm、最大傾斜率控制值為1.0‰，報(bào)警值為最大累計(jì)沉降 －12.0 mm，沉降速率 －2.0 mm/d，表3給出的計(jì)算結(jié)果均沒有達(dá)到報(bào)警值，因此，采取盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施后，盾構(gòu)施工可以安全地穿越該加油站。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)左線于2015年3月1—8日穿越加油站區(qū)域(加油中心前后各30 m)，穿越儲油罐的時(shí)間為2015年3月4日，右線于2015年3月25日—4月1日穿越加油站區(qū)域，穿越儲油罐的時(shí)間為2015年3月29日。穿越儲油罐的控制參數(shù)見表4。

表4 穿越儲油罐的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)Table 4 Parameters of shield boring when passing underneath the oil tank

盾構(gòu)二次注漿的配合比為:1)水泥漿。膨潤土∶粉煤灰∶砂∶水∶水泥質(zhì)量比為1∶4∶6.8∶4.3∶4.3;2)水玻璃雙液漿。水泥漿水灰質(zhì)量比為1∶0.5，水泥漿和水玻璃質(zhì)量比為1∶1。穿越過程中，左線和右線每5環(huán)的注漿量均為2.2 m3。

加油站監(jiān)測點(diǎn)于2015年2月25日布設(shè)完成，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖6所示，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在加油站油庫基礎(chǔ)(JCG－1—JCG－4)、加油站辦公用房(JCG－5—JCG－8)、加油站雨棚立柱(JCG－9—JCG－12)和加油站區(qū)域地表(DB15－1—DB45－11)。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of monitoring points

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:盾構(gòu)通過加油站后，加油站區(qū)域地表測點(diǎn)累計(jì)沉降最大為－10.9 mm(DB45－4)，其余大部分地表測點(diǎn)沉降量均在－10.0 mm以內(nèi);雨棚測點(diǎn)最大累計(jì)沉降為 －6.8 mm(西北角立柱測點(diǎn)JCG－12)，油庫基礎(chǔ)測點(diǎn)最大累計(jì)沉降為 －5.5 mm(西南角測點(diǎn)JCG－3)，加油站辦公用房最大累計(jì)沉降為－2.9 mm(西南角測點(diǎn)JCG－7)。監(jiān)測數(shù)據(jù)均較小，未達(dá)到報(bào)警值。后續(xù)觀測數(shù)據(jù)顯示，自2015年4月1日起，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)均趨于穩(wěn)定。

選取靠近左線盾構(gòu)的6個(gè)地表測點(diǎn)(DB45－1—DB45－6)和3個(gè)建(構(gòu))筑物測點(diǎn)(雨棚、油庫基礎(chǔ)、辦公用房)的最大累計(jì)沉降，繪出了沉降時(shí)程曲線，分別如圖7和圖8所示。

圖7 地表測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線Fig.7 Time-dependent curves of ground surface settlement

圖8 建(構(gòu))筑物測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線Fig.8 Time-dependent curves of building(structure)settlement

圖7 和圖8表明，左、右線穿越加油站后，地表和建(構(gòu))筑物的沉降都趨于穩(wěn)定，地表最大累計(jì)沉降為 －10.9 mm(與計(jì)算值 －10.54 mm 基本接近，誤差為3.4%，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬的可靠性)、最大沉降速率為 －1.6 mm/d，建(構(gòu))筑物的最大累計(jì)沉降為 －6.8 mm、最大沉降速率為 －1.1 mm/d，兩者均滿足監(jiān)測要求，說明盾構(gòu)施工已經(jīng)安全下穿加油站，本文提出的盾構(gòu)掘進(jìn)措施是可行的。

5 結(jié)論與建議

1)加油站共平行設(shè)置3個(gè)埋地儲油罐，總?cè)莘e為150 m3，屬一級加油站，儲油罐與左線隧道的豎向凈距為7.0 m，水平凈距為2.7 m，盾構(gòu)掘進(jìn)施工下穿加油站屬Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)源。為保證盾構(gòu)施工的安全，提出了針對性的盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施。

2)采用ANSYS通用軟件建立了三維有限元模型，計(jì)算了儲油罐存滿油和空罐等工況下地表和儲油罐的沉降值，結(jié)果表明，地表最大沉降為－10.54 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，加油站可以正常營業(yè);但應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，并制訂應(yīng)急預(yù)案。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的地表和建(構(gòu))筑物的監(jiān)測結(jié)果表明，地表最大累計(jì)沉降為－10.9 mm、最大沉降速率為 －1.6 mm/d，建(構(gòu))筑物的最大累計(jì)沉降為 －6.8 mm、最大沉降速率為 －1.1 mm/d，均未達(dá)到監(jiān)測報(bào)警值，說明本文提出的盾構(gòu)掘進(jìn)措施是可行的。

4)鄭州地鐵正在建設(shè)，共規(guī)劃17條線，民用建筑、高鐵、鐵路等建(構(gòu))筑物廣泛分布于地鐵規(guī)劃線的上方;因此，在地鐵盾構(gòu)穿越過程中必須提出針對性的控制措施，本文的研究成果可為類似工程提供參考依據(jù)。

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