大斷面平頂直墻洞樁法暗挖地鐵車站零距離下穿施工對既有矩形斷面隧道的影響*

趙小燕 易領兵 陳慶懷 劉勝歡 鄭力銘 楊涌躍 吳程浩

(1.河南建筑職業技術學院土木工程系,450064,鄭州; 2.中國交建軌道交通事業部,100088,北京;3.中國建筑第八工程局有限公司,200122,上海; 4.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,100088,北京∥第一作者,講師)

隨著我國各大城市軌道交通網建設的快速發展,換乘車站及區間隧道穿越的節點也迅速增多。例如在2050年北京市區軌道交通線路規劃圖中,此類節點有近120處。這對地鐵的設計和施工都提出了挑戰。PBA(洞樁法)、盾構及CRD(交叉中隔壁法)等密貼既有站及隧道等的施工項目,以及采用平頂直墻施工、頂撐控制及多線隧道連續穿越施工等技術的項目,近些年呈現增多趨勢。文獻[1]研究了成都某地下通道下穿城市軌道交通車站的施工方法;文獻[2]研究了某新建通道對地鐵變形縫的影響;文獻[3-4]以北京蘋果園站工程為依托,研究了新建車站對既有站的影響;文獻[5]研究了新建地下通道穿越既有站的施工工序;文獻[6]研究了泥巖地區某新建地鐵站下穿方案問題;文獻[7]對砂卵石區域新建通道下穿既有站的力學規律進行了研究;文獻[8-9]對多線(4條)隧道連續穿越既有站相關施工預防措施及對車站的影響進行了討論。

由于雙層三跨大斷面平頂直墻暗挖地鐵車站零距離下穿既有地鐵矩形斷面區間隧道(以下簡稱“既有隧道”)施工較為少見,相應的結構影響研究很少。故本文結合工程實例,研究平頂直墻暗挖站零距離下穿施工對既有隧道的影響,總結平頂直墻暗挖車站零距離下穿施工過程中的地面沉降及既有隧道結構變形規律;并將施工監測數據與仿真模擬結果擬合對比,以驗證仿真分析的準確性。

1 工程概況

某換乘地鐵站跨路口沿南北向敷設。該站為明暗挖相結合的島式車站。新建車站長178.60 m(南端明挖段長100.00 m,中間暗挖段長18.20 m,北端明挖段長60.40 m),標準段寬21.10 m,中間暗挖段頂板覆土厚度為13.31 m,底板埋深為26.62 m。既有隧道結構尺寸為 10.15 m(寬)×7.75 m(高),頂部覆土厚度為5.56 m,隧道埋深為13.31 m。

新建車站暗挖段為大斷面平頂直墻結構,零距離下穿既有隧道施工。新建車站暗挖段頂板頂與既有隧道底板底外皮凈距為0.50 m,包含既有隧道底部的0.15 m厚墊層和新建車站頂板頂部的0.35 m厚初期支護。新建車站與既有隧道的關系如圖1所示。

a) 平面圖

2 有限元計算

2.1 計算模型

針對某平頂直墻暗挖站零距離下穿既有隧道施工項目,本文采用ABAQUS仿真模擬軟件建立三維計算模型進行分析。計算模型東西向(x向)長度為180 m,南北向(z向)寬度為50 m,深度(y向)為80 m,對每個施工步進行仿真計算。計算模型采用六面體結構化網格單元,如圖2所示,平頂直墻暗挖站與既有隧道相對位置關系如圖3所示。土、砂、巖及加固區采用Mohr-Coulomb模型模擬,土體相關參數根據工程地質勘查報告和工程經驗取值。計算模型中采用線彈性本構模型模擬新建車站站體、既有隧道結構等。材料力學性能參數見表1。

表1 材料力學性能參數

圖2 計算模型

圖3 平頂直墻暗挖站與既有隧道相對位置關系模型

將整個施工過程劃分為8個施工步驟,土體-結構斷面示意圖如圖4所示。

圖4 土體-結構斷面示意圖

步驟1:1號導洞開挖與支護,1號導洞貫通后,施作洞內的灌樁柱和樁頂冠梁。步驟2:4號導洞開挖與支護,4號導洞貫通后,施作洞內的灌樁柱和樁頂冠梁。步驟3:2號導洞開挖與支護,2號導洞貫通后,施作2號導洞內的灌注樁、鋼管柱、頂縱梁和部分頂板。步驟4:3號導洞開挖與支護,3號導洞貫通后,施作2號導洞內的灌注樁、鋼管柱、頂縱梁和部分頂板。步驟5:開挖2、3號導洞之間Ⅰ部分土體。貫通后進行拆除2、3導洞部分初期支護,施作部分頂板。步驟6:開挖1、2號導洞之間Ⅱ部分土體和3、4號導洞之間Ⅲ部分土體,拆除其余部分初期支護后,施作剩余頂板和部分側墻。步驟7:向下開挖,施作車站中板、中縱梁和部分側墻。步驟8:向下開挖,施作車站底板和剩余部分結構,完成車站暗挖段施工。

2.2 地面沉降的計算

施工基本完成時(步驟8)的地面沉降云圖見圖5。步驟1～8的地面沉降量最大值曲線見圖6。

圖5 步驟8的地面沉降量云圖

分析仿真結果可以看出:地面沉降量隨著開挖的進行逐漸增大。但步驟1到步驟2的地面沉降增量最大,沉降量由1.05 mm增加到3.77 mm,增加約263.81%;步驟6到步驟7地面沉降增量最小,沉降量由6.25 mm增加到6.48 mm,增加僅3.68%,總體沉降量自東向西逐漸減小;在各施工步中東側變形縫附近沉降量均最大,施工完成后地面 沉降量最大值達到7.34 mm。

2.3 既有線結構變形的計算

為便于分析既有隧道結構在不同施工步驟的變形情況,本文按變形縫位置將既有隧道結構分為3段。圖7為既有隧道結構的分段及變形縫示意圖。

圖7 既有隧道結構分段及變形縫示意圖

2.3.1 既有隧道結構的沉降

施工基本完成時(步驟8)既有隧道結構沉降云圖如圖8所示。步驟1～8的既有隧道結構沉降量最大值曲線如圖9所示。

圖8 步驟8既有隧道結構沉降云圖

圖9 步驟1～8的既有隧道結構沉降量最大值曲線

進一步分析沉降量的仿真結果可以看出:

1) 下穿段施工完畢后,既有隧道結構的最大沉降量為7.30 mm,發生在既有隧道b段上,而且位于變形縫1附近區域。分析同一施工步驟的云圖可知,b段的沉降量相對最大,a段次之,區間c段最小。可見,各步驟沉降量最大值均在b段,且均在變形縫1附近。這主要是開挖區域位于b段正下方,而且離變形縫1最近所致。

2) b段沉降量沿著x軸正方向逐漸減小,且變化較大。由于c段遠離開挖區受干擾比較小,所以c段沉降量最小,且c段不同位置的沉降量整體差別不大。a段各點沉降值差別不明顯;由于a段距離開挖區域較近,因此a段表現出較大沉降。

3) 通過對不同施工步驟的既有結構沉降對比分析可以看出,隨著開挖的進行,既有隧道結構的最大沉降量在逐漸增大。

2.3.2 既有隧道結構的z向變形

施工基本完成時(步驟8)的既有隧道結構z向位移云圖如圖10所示。步驟1～8的z向位移最大值曲線如圖11所示。

圖10 步驟8的既有隧道結構z向位移云圖

圖11 步驟1～8的既有隧道z向位移最大值曲線

分析仿真結果可以看出:平頂直墻暗挖車站下穿段施工完畢后,既有隧道結構產生的z向位移最大值僅為0.21 mm,出現在區間c段上。

由圖10分析可知,c段的z向位移值上部為正值,下部為負值,有發生扭曲傾斜的趨勢,但量值較小。a段及b段的z向位移較小且變化不明顯。可見,下穿段施工對既有隧道結構的z向位移影響較小,既有隧道結構變形以沉降為主,z向位移可忽略不計。

3 實際施工監測結果的對比分析

基于實際施工監測結果,得到實際沉降及位移的監測數據曲線如圖12所示。

a) 地面沉降

監測結果顯示:

1) 地面沉降隨著開挖的進行逐漸增大。沉降變化自東向西逐漸減小,而且,在各施工步中東側變形縫處附近沉降均最大。施工完成后地面沉降最大值達到7.00 mm。

2) 下穿段施工完畢后,既有隧道結構產生的最大沉降為6.91 mm,發生在既有隧道b段上,而且位于變形縫1附近區域。統計監測數據顯示,b段的沉降相對最大,a段次之,c段最小。各步驟的沉降最大值均出現在b段,并且在變形縫1附近。通過對不同施工步驟的既有結構沉降分析對比可以看出,隨著開挖的進行,既有隧道結構的最大沉降在逐漸增大。

3) 下穿段施工完畢后,既有隧道結構產生的z向位移最大值僅為0.19 mm,出現在c段。a段及b段的z向位移較小且變化不明顯,說明下穿段施工對既有隧道結構的z向變形影響較小。故既有隧道結構發生的變形以沉降為主,z向位移可忽略不計。

仿真計算結果和實際監測數據對比如圖13所示。

a) 地面沉降量

從圖13可以看出:監測數值與模擬數值結果基本一致;總體而言,監測數據均小于仿真計算結果,但兩者數據顯示地面沉降最大值、區間結構沉降最大值、區間結構z向位移最大值發生位置均一致,且發展趨勢基本一致。這驗證了仿真分析結果的準確性。

4 結論

1) 地面沉降隨開挖的進行逐漸增大。步驟1到步驟2的沉降增量最大,步驟6到步驟7的沉降增量最小,總體沉降量變化自東向西逐漸減小。在各施工步驟中東側變形縫附近沉降均最大,施工完成后的最大地面沉降量達到7.34 mm。施工監測數據顯示,最大地面沉降量為7.00 mm,同樣發生在東側變形縫附近位置。

2) 下穿段施工完畢后,既有隧道結構產生的最大沉降為7.30 mm,發生在既有隧道b段,而且位于變形縫1附近區域。b段的沉降相對最大,a段次之,c段最小。施工監測數據顯示,施工完畢后,既有隧道結構產生的最大沉降量為6.91 mm,同樣發生在既有隧道b段上,也位于變形縫1附近區域。

3) 下穿段施工完畢后,既有隧道結構產生的z向位移最大值僅為0.21 mm,出現在c段。a段及b段的z向位移較小且變化不明顯。施工監測數據顯示,施工完畢后,既有隧道結構的z向位移最大值僅為0.19 mm,同樣出現在區間c段。既有隧道結構變形以沉降為主,z向位移可忽略不計。