富水細(xì)砂地層盾構(gòu)斜向超近距下穿雙洞雙線暗挖站施工技術(shù)

易領(lǐng)兵, 陳慶懷, 孟旭央, 杜明芳, 閆文博, 吳程浩, 楊涌躍

(1.中國(guó)交建軌道交通事業(yè)部,北京 100088; 2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003; 3.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001; 4.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京 100088)

0 引 言

城市軌道交通為線性工程,在城市地下空間建設(shè)時(shí),往往不可避免地需要下穿既有地鐵隧道或地上建筑,可能導(dǎo)致重大安全事故發(fā)生,這將無(wú)疑增大地鐵盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。文獻(xiàn)[4]通過(guò)數(shù)值模擬、經(jīng)典力學(xué)理論、實(shí)測(cè)分析等方法,研究了盾構(gòu)隧道穿越既有車站的變形控制標(biāo)準(zhǔn);文獻(xiàn)[5]采用簡(jiǎn)化理論模型、曲線公式、實(shí)測(cè)分析等方法,研究了新建雙線隧道下穿施工對(duì)既有隧道產(chǎn)生的沉降和彎矩的影響;文獻(xiàn)[6]通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù),研究了盾構(gòu)機(jī)與已建隧道相對(duì)位置不同時(shí),盾構(gòu)施工對(duì)已建地鐵隧道位移的影響;文獻(xiàn)[7]通過(guò)資料調(diào)研、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)控測(cè)量等方法,研究了砂土地層中盾構(gòu)隧道超近距離下穿既有隧道的變形控制措施,得到砂土地層中盾構(gòu)施工參數(shù)值;文獻(xiàn)[8]通過(guò)數(shù)值模擬分析,研究了預(yù)埋樁基對(duì)既有車站變形控制的影響;文獻(xiàn)[9]采用數(shù)值模擬分析,研究了黃土地區(qū)盾構(gòu)隧道近距離下穿既有線的影響規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn);文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)既有隧道沉降的數(shù)值模擬,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及盾構(gòu)施工參數(shù)的分析,研究雙線盾構(gòu)下穿時(shí)既有地鐵盾構(gòu)隧道的沉降規(guī)律及控制措施;文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)既有隧道沉降的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、盾構(gòu)施工參數(shù)的分析,研究了盾構(gòu)下穿既有盾構(gòu)隧道時(shí)施工參數(shù)的合理取值;文獻(xiàn)[12]通過(guò)優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)技術(shù)參數(shù)配置、渣土改良技術(shù),研究了盾構(gòu)施工超近距離下穿對(duì)既有出入段線雙連拱暗挖隧道的影響;文獻(xiàn)[13]通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,采取土體加固、加強(qiáng)底板配筋,研究了盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)市政隧道的影響;文獻(xiàn)[14]采用數(shù)值模擬分析,對(duì)比分析了地層不加固、超前管棚加固、地表注漿加固、運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)加內(nèi)箍支撐及MJS工法加固等多種方案對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道的影響;文獻(xiàn)[15]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法,進(jìn)行了盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)軌道既有隧道和軌道高差的沉降規(guī)律研究。

上述文獻(xiàn)較多研究盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有隧道、車站、市政管線的影響,而對(duì)富水細(xì)砂地層中盾構(gòu)超近距下穿地鐵站的施工研究較少,富水細(xì)砂地層條件下盾構(gòu)斜向超近距下穿對(duì)上部地鐵站的研究涉及也較少。綜合以往專家學(xué)者的研究成果,結(jié)合本課題工程背景,本文研究富水細(xì)砂地層條件下地鐵盾構(gòu)區(qū)間斜向超近距下穿施工對(duì)地鐵站的影響,研究成果為后續(xù)類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 穿越既有站段新建盾構(gòu)區(qū)間概況

盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)徑5.5 m,管片厚0.35 m,外徑6.2 m,整體從東北方向先左線、后右線施工順序連續(xù)斜向穿越既有地鐵站暗挖段。左線以69.06°小角度穿越,右線以67.86°小角度穿越,穿越暗挖段寬度約24.8 m。左、右線盾構(gòu)區(qū)間外皮距地鐵站暗挖段初支外皮垂直凈距僅0.75 m。

整體穿越地鐵站范圍左、右線盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)外皮頂覆土18.665 m、底埋深24.865 m,且完全處于④細(xì)砂地層,地下水位位于地表以下4.5 m,盾構(gòu)區(qū)間所處地層完全為富水細(xì)砂地層,該細(xì)砂地層受外界擾動(dòng)后在富水區(qū)流動(dòng)性很強(qiáng),盾構(gòu)穿越過(guò)程潛在涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)極高。

1.2 地鐵站概況

既有地鐵站整體呈東西走向跨南北大道路口偏東西大路南側(cè)敷設(shè),車站東西向總長(zhǎng)265.1 m。其中西端明挖段總長(zhǎng)64.7 m,結(jié)構(gòu)型式為地下雙層三跨結(jié)構(gòu),采取明挖法施作;中間單洞單線+3組聯(lián)絡(luò)通道暗挖段總長(zhǎng)63.6 m,結(jié)構(gòu)型式為單洞單線結(jié)構(gòu),采取暗挖法施作;東端明挖段總長(zhǎng)136.8 m,結(jié)構(gòu)型式為地下雙層三跨結(jié)構(gòu),采取明挖法施作。

東、西兩端明挖段頂板覆土約3.0 m,底板埋深約16.0 m,下沉段底板埋深約18.5 m,寬度22.1 m,外擴(kuò)段寬度26.0 m;中間暗挖段頂板覆土約8.7 m,底板埋深約17.5 m,寬度23.3 m。

中間暗挖段內(nèi)距離東、西兩端明挖段與中間暗挖段分界位置2 m處設(shè)置變形縫,西端變形縫一距離左線盾構(gòu)外皮最小距離18.64 m,東端變形縫二距離右線盾構(gòu)外皮最小距離8.15 m。

車站所處地層自上而下依次分布為2.7 m厚①雜填土、7.5 m厚②粉質(zhì)黏土、7.5 m厚③黏質(zhì)粉土、10.0 m深厚④細(xì)砂層。地下水位埋深4.5 m。東、西兩端明挖段頂板基本位于②粉質(zhì)黏土地層,底板位于④細(xì)砂地層;中間暗挖段頂板位于②粉質(zhì)黏土地層,底板基本位于③黏質(zhì)粉土和④細(xì)砂地層交界面。

中間暗挖段初支外皮向外2.6 m范圍已提前采取WSS無(wú)收縮后退式深孔注漿加固措施施作。平面位置關(guān)系及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖1所示,剖面位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 平面位置關(guān)系及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

圖2 剖面位置關(guān)系圖

2 有限元計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

針對(duì)富水細(xì)砂地層,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,結(jié)構(gòu)與土體接觸面采取析取單元型式創(chuàng)建,軟件中采取接觸對(duì)定義約束連接。模型的長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為400、200、60 m。巖土體采用修正莫爾-庫(kù)倫彈塑性模型,采用實(shí)體單元模擬;車站結(jié)構(gòu)墻板、暗挖初支及二襯等采用板單元模擬;結(jié)構(gòu)梁、柱、連梁、軌道等采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。采用線彈性本構(gòu)模型模擬新建盾構(gòu)區(qū)間與既有地鐵站等,如圖3、圖4所示。

圖3 地層結(jié)構(gòu)模型

圖4 盾構(gòu)區(qū)間與地鐵站相對(duì)位置關(guān)系

為研究盾構(gòu)斜向超近距下穿施工過(guò)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,同時(shí)按照本工程施工組織計(jì)劃先左線盾構(gòu)穿越然后右線盾構(gòu),穿越皆按照盾構(gòu)掘進(jìn)接近車站、盾構(gòu)掘進(jìn)穿越車站、盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離車站三階段進(jìn)行仿真模擬計(jì)算研究,盾構(gòu)掘進(jìn)按照每一環(huán)挖土(1.5 m環(huán)寬)、管片成環(huán)封閉進(jìn)尺步驟循環(huán)進(jìn)行施工。三階段如下:新建盾構(gòu)區(qū)間左線盾構(gòu)掘進(jìn)至穿越既有地鐵站前外 6 m 處→左線盾構(gòu)穿越既有地鐵站至穿站后外 6 m 處→左線盾構(gòu)遠(yuǎn)離既有地鐵站→右線盾構(gòu)掘進(jìn)至穿越既有地鐵站前外 6 m 處→右線盾構(gòu)穿越既有地鐵站至站后外 6 m 處→右線盾構(gòu)遠(yuǎn)離既有地鐵站。

2.2 施工步驟

詳細(xì)施工步驟如下:

(1) 工況1。初始地應(yīng)力還原。

(2) 工況2。左線盾構(gòu)掘進(jìn)至穿越既有地鐵站前外6 m 處。

(3) 工況3。左線盾構(gòu)穿越既有地鐵站至站后外6 m 處。

(4) 工況4。左線盾構(gòu)遠(yuǎn)離既有地鐵站。

(5) 工況5。右線盾構(gòu)掘進(jìn)至穿越既有地鐵站前外6 m 處。

(6) 工況6。右線盾構(gòu)穿越既有地鐵站至站后外6 m 處

(7) 工況7。右線盾構(gòu)遠(yuǎn)離既有地鐵站。

土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

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4和工況7的計(jì)算結(jié)果,如圖5、圖6所示。

圖5 工況4地鐵站豎向、水平位移變形云圖圖6 工況7地鐵站豎向、水平位移變形云圖

盾構(gòu)區(qū)間左線施工后主要影響盾構(gòu)區(qū)間下穿處既有地鐵站暗挖段,兩側(cè)明挖段沉降影響較小,暗挖段主體變形由下穿區(qū)域向兩側(cè)逐漸減小。最大沉降值1.02 mm,位于暗挖段 DK8+324.6 附近,沉降槽寬度約為 17.5 m(DK8+317.1～DK8+334.6,沉降大于0.5 mm 范圍);暗挖段沉降變形主要受垂直下穿段施工影響,既有地鐵站兩側(cè) 6 m 范圍外新建盾構(gòu)區(qū)間施工新增沉降小于0.10 mm,基本無(wú)影響。

水平變形相對(duì)較小,最大水平變形為0.22 mm,位于西端車站明挖段主體底板部位。本階段施工各部位以靠近盾構(gòu)區(qū)間的沉降變形為主。

盾構(gòu)區(qū)間右線主要影響盾構(gòu)區(qū)間下穿處既地鐵站暗挖段,東端明挖段鄰近處也產(chǎn)生一定沉降,西端明挖段基本無(wú)影響,地鐵站主體變形由下穿區(qū)域向兩側(cè)逐漸減小。最大沉降值為1.53 mm,位于暗挖段東側(cè)(DK8+344.5);沉降槽寬度約為42 m(DK8+316.5～DK8+358.5,沉降大于0.5 mm范圍),暗挖段沉降變形主要受垂直下穿段施工影響,既有地鐵站兩側(cè) 6 m 范圍外新建盾構(gòu)區(qū)間施工新增沉降小于 0.10 mm,基本無(wú)影響。

水平變形相對(duì)較小,最大水平變形為0.24 mm,位于東端明挖段底板部位。本階段施工,各部位以靠近盾構(gòu)區(qū)間的沉降變形為主。

地鐵站位移曲線如圖7所示。

圖7 地鐵站位移曲線

分析上述結(jié)果可以看出: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1.00 mm,水平位移最大值達(dá)到0.20 mm,水平位移值僅為沉降值20%,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大達(dá)到1.53 mm,增幅比例53%;水平位移最大值增幅較小,僅達(dá)到0.24 mm,增幅比例20%;水平位移值僅為沉降值15.7%,地鐵站變形以沉降為主。

3.2 變形縫差異沉降

選擇不同位置點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形縫統(tǒng)計(jì)與分析,如圖8、圖9所示。圖9中,1～5分別表示頂拱跨中、頂拱支座、側(cè)墻跨中、底板跨中、底板支座。變形縫位置變形量見(jiàn)表2所列。

表2 變形縫位置變形量 單位:mm

圖8 選取變形縫位置

圖9 仿真變形縫差異沉降量

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。

跨中DK8+358.5處的變形縫二,結(jié)構(gòu)兩側(cè)的差異變形量最大為0.080 4 mm,不會(huì)影響車站結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.3 軌道沉降

提取施工后地鐵站雙線鋪軌處測(cè)線豎向位移值,繪制軌道沉降曲線如圖10所示。

圖10 軌道沉降曲線

由圖10軌道沉降曲線可知,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、右線軌道沉降量均逐漸增大,左線沉降最大值達(dá)到0.59 mm,右線沉降最大值達(dá)到0.54 mm;隨右線盾構(gòu)掘進(jìn)遠(yuǎn)離既有地鐵站,左、右線軌道沉降量均繼續(xù)逐漸增大,左線沉降最大值達(dá)到0.89 mm,增幅比例50.8%,右線沉降最大值達(dá)到0.81 mm,增幅比例50.0%。

4 施工監(jiān)測(cè)分析

整理施工過(guò)程中各橋?qū)嶋H監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并匯總,結(jié)果如圖11所示。

圖11 施工監(jiān)測(cè)地鐵站位移、差異沉降量及軌道沉降

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:

(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0.97 mm,水平位移最大值達(dá)到0.17 mm,水平位移值僅為沉降值17.5%,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1.48 mm,增幅比例52.6%;水平位移最大值增幅較小僅達(dá)到0.19 mm,增幅比例11.8%;水平位移值僅為沉降值的12.8%,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。跨中DK8+358.5處變形縫二,結(jié)構(gòu)兩側(cè)的差異變形最大值為 0.079 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0.49 mm,右線沉降最大值達(dá)到0.45 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0.74 mm,增幅比例51.0%,右線沉降最大值達(dá)到0.69 mm,增幅比例53.3%。

從圖7、圖9～11可以看出,監(jiān)測(cè)數(shù)值與仿真計(jì)算結(jié)果及發(fā)展趨勢(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,從而印證了模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

本文對(duì)富水細(xì)砂地層盾構(gòu)斜向超近距下穿既有地鐵站施工過(guò)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)算結(jié)果比對(duì),變化規(guī)律基本一致,因此印證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)論如下:

(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。施工監(jiān)測(cè)顯示:車站沉降最大值為1.48 mm,位移最大值為0.19 mm,均小于模擬計(jì)算結(jié)果;此外地鐵站站沉降及位移變化趨勢(shì)與模擬結(jié)果基本一致。

(2) 最大差異沉降位于車站主體暗挖段底板。變形縫二結(jié)構(gòu)兩側(cè)的差異變形最大為 0.080 4 mm,不會(huì)影響車站結(jié)構(gòu)的正常使用。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0.079 0 mm,與模擬計(jì)算結(jié)果基本一致。

(3) 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。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:左線沉降最大值達(dá)到0.74 mm,右線沉降最大值達(dá)到0.69 mm,小于但接近模擬計(jì)算結(jié)果。