大直徑泥水盾構(gòu)近接下穿地鐵站臺(tái)施工工法對(duì)站臺(tái)影響分析

鄒坤秘

（中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

當(dāng)前，城市地下隧道修建工法主要采取盾構(gòu)法。由于城市既有建構(gòu)筑物較多，地面空間利用率較高，在盾構(gòu)法施工過程中，勢(shì)必存在近接下穿既有建構(gòu)筑物的情況。在隧道開挖近接施工情況下，既有構(gòu)筑物的沉降和變形特性尤為重要，不恰當(dāng)?shù)氖┕し椒赡軙?huì)導(dǎo)致既有構(gòu)筑物出現(xiàn)較大變形和沉降，甚至破壞。因此，研究盾構(gòu)近接施工對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響十分必要。近接施工對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響程度與隧道和既有建構(gòu)筑物的位置關(guān)系、既有構(gòu)筑物的種類有很大關(guān)系，在施工中應(yīng)特別注意[1]。

近年來，針對(duì)此問題，有關(guān)專家學(xué)者做了很多研究。其研究方法主要分為數(shù)值模擬方法和理論計(jì)算方法。在數(shù)值模擬方法方面，毛新穎等[2]利用有限差分方法建立三維有限元模型，研究盾構(gòu)下穿公路隧道的影響規(guī)律。王闖等[3]針對(duì)盾構(gòu)近接橋梁群樁基礎(chǔ)施工產(chǎn)生的擾動(dòng)問題進(jìn)行分析，采用數(shù)值模擬方法，得出分區(qū)定量評(píng)價(jià)方法，有效指導(dǎo)了施工。鄭余朝[4]等利用數(shù)值模擬方法，建立三管并行隧道近接下穿既有鐵路隧道的有限元模型，對(duì)地表位移及其控制措施進(jìn)行了研究。吳全立等[5]針對(duì)盾構(gòu)下穿既有地鐵線路問題，結(jié)合工程實(shí)際，分析盾構(gòu)在近始發(fā)端頭的各種難題并采取相應(yīng)措施，最終順利通過。徐公文[6]則針對(duì)盾構(gòu)下穿輸水暗涵問題進(jìn)行研究，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得出既有輸水暗涵的變形規(guī)律，為地表沉降措施提供參考依據(jù)。張秋彬等[7]針對(duì)地鐵下穿既有鐵路線路問題，研究了施工參數(shù)對(duì)既有線路的影響，最終得出了施工參數(shù)能夠很好地控制變形。高永濤等[8]利用MIDAS數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法研究盾構(gòu)下穿河流時(shí)注漿參數(shù)對(duì)地表變形的影響規(guī)律。馬相峰等[9]利用FLAC3D軟件對(duì)盾構(gòu)下穿鐵路路基工程進(jìn)行模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究路基的變形規(guī)律。楊永平等[10]建立數(shù)值模型分析盾構(gòu)下穿海洋樁基礎(chǔ)時(shí)樁基的豎直應(yīng)力和水平應(yīng)力，并分析近接施工引起的群樁變形。

盡管對(duì)于盾構(gòu)下穿各種既有建構(gòu)筑物的研究多種多樣，但是對(duì)于大直徑泥水平衡盾構(gòu)近接下穿車站底板問題卻少有人探討。因此，本文依托成都至浦江鐵路紫瑞盾構(gòu)隧道區(qū)間工程，提出泥水盾構(gòu)超小近距穿越既有地鐵站臺(tái)施工工法，并利用FLAC3D有限元軟件建立三維元模型，驗(yàn)證該工法的可操作性和實(shí)際效果[11-15]。

1 工程概況

盾構(gòu)區(qū)間正穿地鐵5號(hào)線車站，盾構(gòu)下穿5號(hào)線車站時(shí)需穿越基坑工程樁6根，基坑圍護(hù)樁14根；工程樁采用玻璃纖維筋灌注樁，在車站施工過程中該部分工程樁已廢除，并對(duì)底板以下1.5m范圍進(jìn)行鑿除，未與車站底板連接；圍護(hù)樁侵入隧道深度為3.3～4.7m不等，采用玻璃纖維筋，盾構(gòu)可進(jìn)行切削[16]。

隧道洞身位于粗圓礫土層。隧道結(jié)構(gòu)外邊線距離兩側(cè)工程樁距離分別為0.6m及1.5m，距離車站底板墊層底最近距離僅為0.6m。

2 盾構(gòu)近接施工工法概述

2.1 工藝原理

盾構(gòu)機(jī)在下穿時(shí)有4個(gè)階段，分為開挖面前沉降（隆起）控制、通過時(shí)沉降（隆起）控制、尾部空隙沉降（隆起）控制和后續(xù)沉降控制。通過控制泥漿性能指標(biāo)、掘進(jìn)過程中的平衡壓力、超挖量、對(duì)地層的擾動(dòng)量等方面保持開挖面的穩(wěn)定；其次利用足量的同步注漿、徑向注漿及二次補(bǔ)漿保證壁后及時(shí)填充；以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，采用信息共享平臺(tái)，將地面、指揮中心、盾構(gòu)機(jī)操作室、掌子面聯(lián)動(dòng)，使信息發(fā)布、收集、加工、處理、反饋暢通及時(shí)，使地鐵運(yùn)營線路始終處于穩(wěn)定狀態(tài)[17]。

2.2 施工工藝流程

超近距離盾構(gòu)下穿地鐵站臺(tái)施工工法工藝流程如圖1所示，主要工序?yàn)榍捌谡{(diào)查及對(duì)運(yùn)營地鐵站臺(tái)安全評(píng)估、泥水指標(biāo)優(yōu)化、泥水盾構(gòu)掘進(jìn)控制，這一步中若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常則繼續(xù)完成下穿，若報(bào)警則啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

圖1 施工工藝流程圖

2.3 關(guān)鍵施工要點(diǎn)

（1）泥漿指標(biāo)優(yōu)化。

高質(zhì)量的泥膜形成對(duì)泥水盾構(gòu)掘進(jìn)至關(guān)重要，泥膜的形成四要素為：泥水最大粒徑、顆粒級(jí)配、泥水濃度和泥水壓力。要求最優(yōu)泥漿配比既能保證泥漿有效地在開挖面形成優(yōu)質(zhì)泥膜，以維持地層穩(wěn)定，又能保證有利于切削下來的渣土順利排出，達(dá)到各種指標(biāo)的平衡點(diǎn)，以滿足對(duì)地層的適應(yīng)性。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)過多輪比對(duì)確定最優(yōu)的泥漿配比，最終確定泥漿指標(biāo)。在試驗(yàn)段的掘進(jìn)過程中，地面沉降可控，符合控制地層變形的要求。從現(xiàn)場(chǎng)使用來看，進(jìn)一步降低了堵管堵倉的概率，同時(shí)對(duì)預(yù)防刀盤結(jié)泥餅效果顯著[18]。

（2）盾構(gòu)平衡壓力設(shè)定。

泥水加壓式盾構(gòu)開挖面土體主要依靠泥水壓力來平衡開挖面土壓力和水壓力以獲得穩(wěn)定。泥水壓力主要是在掘進(jìn)中起支護(hù)作用。因此設(shè)定的開挖倉壓力是否準(zhǔn)確，直接影響著開挖面的穩(wěn)定。在盾構(gòu)穿越地鐵運(yùn)營線路過程中，設(shè)定泥水壓力變化大致分為三個(gè)階段：穿越前、穿越中以及穿出階段。

加壓的一般標(biāo)準(zhǔn)為0.2kg/cm2，但也有比開挖面狀態(tài)大的值，一般要根據(jù)滲透系數(shù)、開挖面松弛狀況、滲水量等進(jìn)行設(shè)定。但加壓過大，則盾構(gòu)推力增大和對(duì)開挖面的滲透加強(qiáng)，相反會(huì)帶來塌方、產(chǎn)生對(duì)液壓器械的影響和造成泥水竄入后方等危害。

（3）同步注漿管理。

在下穿地鐵運(yùn)營線路期間，必須提高同步注漿漿液質(zhì)量，該工程注漿漿液采用水泥砂漿。同步注漿壓力設(shè)定為0.3～0.5MPa，穿越時(shí)頂部注漿壓力不宜大于0.3MPa，并需要根據(jù)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如果注漿壓力過大，隧道會(huì)受到漿液的擾動(dòng)，造成地層沉降和隧道本身的沉降，容易引起注漿跑動(dòng)；若注漿壓力過小，注漿充填速度過慢，會(huì)使地表變形增大。在注漿量方面，該工程實(shí)際的注漿量為理論建筑空隙的150%～200%，即為19.62～26.16m3，穿越時(shí)控制在22m3。同時(shí)，對(duì)漿液凝固速度也有一定要求。穿越時(shí)同步漿液初凝時(shí)間不得大于3h，終凝時(shí)間不得大于8h。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 模型的建立

使用Midas GTS NX建立模型并劃分網(wǎng)格，再將網(wǎng)格文件導(dǎo)入至FLAC 3D中，完成建模步驟。模型尺寸為：橫向75m，豎向54m，縱向100m。盾構(gòu)外徑12.4m，管片環(huán)寬0.5m。

神仙樹站與紫瑞隧道的位置關(guān)系如圖2所示。測(cè)點(diǎn)布置見圖3所示。

圖2 隧道下神仙樹站模型

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 站臺(tái)變形影響分析

對(duì)各地層和車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)賦值，施加Z向重力加速度g=9.8m/s2，形成自重應(yīng)力場(chǎng)如圖4所示。

圖4 初始平衡自重應(yīng)力場(chǎng)圖

在盾構(gòu)施工參數(shù)中，盾構(gòu)推力大小直接影響掌子面、上部地層的穩(wěn)定，尤其是在砂土地層中這種影響更為顯著，因此本文研究不同掌子面土壓力對(duì)車站及板凳樁位移的影響規(guī)律。車站下方土體應(yīng)力水平較低，因此在盾構(gòu)下穿車站時(shí)掌子面土壓力分別設(shè)置為30kPa、40kPa、50kPa、60kPa。

進(jìn)行盾構(gòu)開挖，每次開挖進(jìn)尺1m，共開挖120步，開挖完成后的Z向位移如圖5所示。由圖5可知，車站正上方的地表有一定的隆起，而車站前后的地表則發(fā)生了沉降。這是由于車站結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于地層，并且車站是一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，沿橫向分布較廣，即使車站下方盾構(gòu)開挖處土體有沉降，但是車站其他部分下臥土體仍能支撐起車站的荷載。

圖5 開挖完成Z向位移云圖

掌子面土壓力為30kPa情況下y=30m處地表沉降曲線如圖6所示。由圖6可知，最大沉降值隨著掌子面土壓力的增大而減小。地表沉降最大之處于隧道正上方，沉降值為2.53cm，且在遠(yuǎn)離隧道位置處有一定的隆起，左側(cè)隆起大于右側(cè)。兩側(cè)隆起程度不同，分析認(rèn)為，這是由于車站先開挖造成土體松動(dòng)，引起區(qū)間附近的土體松動(dòng)，導(dǎo)致紫瑞隧道在5號(hào)線下方掘進(jìn)引起的兩側(cè)位移不等，同時(shí)也能說明地下結(jié)構(gòu)物在一定程度上能對(duì)地層起到加固作用，減少地表變形[19-20]。

圖6 最大沉降值-掌子面土壓力關(guān)系曲線

地鐵車站及板凳樁變形情況放大后如圖7所示。由圖7可知，車站下部板凳樁受盾構(gòu)掘進(jìn)影響，有明顯的向兩側(cè)擴(kuò)張的趨勢(shì)，并且車站左側(cè)有更明顯的隆起。

圖7 車站位移放大圖

隧道右側(cè)及左側(cè)板凳樁的x方向位移如圖8、圖9所示。由圖可知左右側(cè)板凳樁的x方向位移分布基本對(duì)稱，頂端位移基本為0，在板凳樁上部與隧道平行處有遠(yuǎn)離隧道方向的位移，而板凳樁下部為滿足受力平衡，則發(fā)生了與上部相反的位移。由圖還可知，板凳樁位移受掌子面土壓力影響較大，土壓力越大，水平位移越大。另外對(duì)比左右側(cè)位移可發(fā)現(xiàn)左側(cè)位移明顯大于右側(cè)，這是由于隧道右側(cè)設(shè)置了兩列板凳樁，最右側(cè)的板凳樁對(duì)隧道右側(cè)板凳樁的位移產(chǎn)生了一定的限制。

圖8 右側(cè)板凳樁x方向位移

圖9 左側(cè)板凳樁x方向位移

圖10是盾構(gòu)管片的最大主應(yīng)力圖。由圖10可以看出，在車站正下方的管片最大主應(yīng)力要小于其他位置的最大主應(yīng)力。這是由于車站下方土體應(yīng)力水平較低，管片受力較小。

圖10 管片最大主應(yīng)力云圖

圖11是車站沉降值的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的對(duì)比，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，車站站臺(tái)沉降槽形狀一致，可以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠。

圖11 車站站臺(tái)沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語

（1）由于車站整體剛度較大，沿橫向分布較廣，所以出現(xiàn)車站正上方土體隆起而前后土體沉降現(xiàn)象。

（2）車站下部板凳樁受盾構(gòu)掘進(jìn)影響，有明顯的向兩側(cè)擴(kuò)張的趨勢(shì)，并且車站左側(cè)有更明顯的隆起。

（3）板凳樁位移受掌子面土壓力影響較大，土壓力越大，水平位移越大。

（4）數(shù)值計(jì)算表明，由于神仙樹地鐵站底板與盾構(gòu)機(jī)距離僅有0.6m，所以底板應(yīng)力狀態(tài)與盾構(gòu)機(jī)推力高度相關(guān)，施工經(jīng)過底板時(shí)應(yīng)減緩開挖速度，保持掌子面土壓力穩(wěn)定，并及時(shí)注漿，另外車站底板的板凳樁起到了很好的保護(hù)作用，有效抑制了車站的沉降。

（5）本文所述工法對(duì)既有地鐵站臺(tái)影響小，沉降可控并具有操作簡單，經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)點(diǎn)。