深圳某地鐵車站小盾構先行大盾構擴挖施工模擬分析*

李 紅 柯 磊 李宣潁 周 浩 肖 波 張姣龍

(1.中鐵五局集團第五工程有限責任公司, 423002, 郴州; 2.中鐵五局集團有限公司, 550003, 貴陽; 3.同濟大學土木工程學院, 200092, 上海; 4.上海同濟綠建土建結構預制裝配化工程技術有限公司, 200092, 上海)

小盾構先行、大盾構擴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”)腫瘤醫院站實施。該方法在小盾構內部回填后形成人工復合地層,采用大盾構在該地層中進行擴挖進而形成車站。大盾構擴挖過程中,周圍地層必將受隧道施工擾動產生變形[1],且難以預測大盾構在這種人工復合地層中掘進引起的地層穩定性。文獻[2]采用三維彈塑性有限元方法,研究了盾構掘進對隧道周圍地層應力及變形的影響情況。文獻[3]采用有限差分程序Flac3D,分析了復合地層中TBM(隧道掘進機)開挖后隧道結構的三維彈塑性位移、主應力,以及塑性破壞分布變化特征,研究表明不同埋深和不同復合地層的不同疊置形式對地層的穩定性有顯著影響。

本文采用MIDAS/GTS軟件模擬小盾構先行開挖且回填后,大盾構在形成的人工復合地層中掘進引起的地層穩定性,研究回填材料和車站埋深對地面沉降以及大盾構管片結構受力的影響,以期為14號線腫瘤醫院站的施工提供技術支撐。

1 工程概況

14號線串聯深圳市福田中心、清水河、布吉、橫崗、龍崗大運新城、坪山中心、坑梓、沙田等區域,覆蓋深圳市東部地區南北向交通需求走廊,是聯系深圳市中心區與東部組團的城市軌道交通快線,是支撐深圳市東部發展軸的城市軌道交通骨干線,是支持深圳市東進戰略實施的重要交通保障。本線路設計速度為120 km/h,它將快速拉近深圳中心區與東部各組團間的時空距離,滿足區域內以及組團間的快速通勤需求。

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

圖1 腫瘤醫院站縱剖面圖

1.1 地質條件

依據已有地質資料,結合鉆探所揭露地層、室內土工試驗成果及原位測試資料,根據相關標準和規范,按不同成因時代、不同土類別、不同狀態,對地層進行劃分。地下水位埋深為2.5～29.5 m,高程為42.97～85.28 m。測得的巖溶水穩定水位埋深為12.0～46.50 m,水位高程為29.80～59.86 m。根據地區經驗,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。腫瘤醫院站地質剖面圖如圖2所示。各地層工程特性指標如表1所示。

圖2 腫瘤醫院站地質剖面圖

表1 腫瘤醫院站巖土層工程特性指標

1.2 施工工法

腫瘤醫院站是14號線整條線路開工建設兩年后,在原有規劃區間隧道上新增的地鐵車站。該車站建設批復完成后,用于區間隧道掘進的小盾構即將掘進到該車站位置,為了避免小盾構機長時間停機等待車站開挖造成的資源浪費,以及延誤整條隧道的貫通時間,新增車站擬采取先隧后站的施工策略,即小盾構先行、大盾構擴挖的施工工法。

在滿足現行規范要求和技術標準的前提下,小盾構隧道結構采用低標號混凝土玻璃纖維筋管片。小盾構機先行通過車站區段后,選定合適的大盾構設備和擴挖方案,再用大盾構進行擴挖,最后在大盾構隧道內快速建造側式站臺車站。

本研究重點關注大盾構擴挖引起的地層響應和大盾構隧道結構的響應。大盾構擴挖的掘進工作面是由小盾構管片、內部回填材料、外部注漿層及自然地層組成的人工復合地層,如圖3所示。小盾構管片外徑為6 700 mm,厚度為350 mm,采用C40混凝土和玻璃纖維筋制作而成;大盾構管片外徑為8 500 mm,厚度為350 mm,采用C50鋼筋混凝土。內部回填材料的選擇范圍包括C40混凝土、C15混凝土及小盾構排出的渣土。整個車站范圍內的小隧道全長約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行澆筑。C40混凝土或C15混凝土采用常規的商品混凝土,對于小盾構排出的渣土而言,則需在現場攪拌一定量的水泥基復合固化劑,形成可泵送、可固化的渣土拌合料。

圖3 大盾構掘進橫斷面示意圖

2 數值模型的建立

2.1 計算模型

本研究采用MIDAS/GTS軟件進行數值計算。建模時,先確定圍巖和結構的物理力學參數,設置模型的邊界條件,施加自重荷載,得到圍巖的自重應力場。根據大盾構施工步序,采用施工階段助手鈍化和激活單元,模擬盾構推進過程;通過改變單元屬性的邊界條件模擬注漿過程,同時添加注漿壓力;通過在土體表面施加環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、應力、應變等參數,從而分析地層沉降和結構受力規律。

2.2 計算參數

根據地質勘察資料,研究區間土層分布有粉質黏土、全風化砂巖、土狀強風化砂巖、塊狀強風化砂巖及中等風化砂巖。巖土層的物理力學見表1。地層材料采用莫爾-庫倫準則;隧道支護結構材料均采用彈性準則。隧道結構參數見表2。

表2 隧道結構參數

考慮盾構施工過程中其支撐及支護的及時性,開挖應力釋放系數取0.2。考慮到盾構管片接頭對管片結構剛度的影響,將管片結構剛度折減20%。

2.3 計算工況

本數值模擬重點分析小盾構回填方案,以及隧道埋深對地層沉降和大盾構結構受力的影響。根據研究目標,設計7個計算工況,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,重點考察回填材料強度遞減的影響。工況4是指在小盾構內部不回填的特殊情況下進行大盾構的掘進,旨在通過與工況1—工況3對比,探究小盾構內部回填的必要性。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管片結構響應的影響。

表3 計算工況

3 計算結果分析

3.1 不同回填材料的影響

大盾構隧道開挖以及支護結構施作完成后,地層和管片的豎向位移和最大應力云圖如圖4和圖5所示。由圖4可見:模型最大沉降量發生在隧道中心線對應的地面點;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,遠小于SJG 135—2023《深圳市工程建設地方標準》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:盾構管片結構的最大拉應力出現在拱腰外弧面;回填材料分別采用C40混凝土、C15混凝土及渣土的情況下,盾構管片結構的最大拉應力分別為789 kPa、795 kPa、895 kPa。由此可見,盾構管片結構的最大拉應力隨回填材料強度的增加而有所增加,但增加幅度不大。

綜上,隨著回填材料強度的降低,地面沉降和盾構管片結構拉應力均有所增加,但均在可接受范圍內。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,建議優先選用C15混凝土回填方案。

為進一步探究小盾構回填的必要性,對比分析不回填工況和不同回填材料工況的計算結果,如表4所示。由表4可見:相比前3個回填工況而言,不回填工況下,地面沉降、盾構管片結構的最大拉應力、拱頂豎向位移及拱頂水平位移均顯著增加。以C50混凝土抗拉強度標準值2.64 MPa與盾構管片結構最大拉應力的比值作為結構抗裂安全系數,3種不同回填材料工況下的結構抗裂安全系數分別為3.35、3.32、3.07,但不回填工況下的結構抗裂安全系數減低至2.28。此外,大盾構在不回填的地層中掘進可能會遇到類似于穿越巖溶發育區常有的隧道軸線偏移、突泥涌水等工程風險[4],因此,小盾構內部回填是必要的。

表4 不同回填材料工況下地層和隧道結構計算結果

3.2 不同埋深的影響

地層沉降和盾構管片結構的最大拉應力隨埋深變化曲線,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;盾構管片結構的最大拉應力隨隧道埋深增加而顯著增加,當埋深由21 m增加到45 m時,盾構管片結構的最大拉應力增加約2倍,這主要是地應力隨埋深增加的結果。

圖6 地面沉降和盾構管片結構最大拉應力隨埋深變化曲線

3.3 工程驗證

綜上,14號線腫瘤醫院站最終采取C15混凝土回填方案。大盾構擴挖過程中,施工監測單位對地面沉降進行了監測,結果顯示最大沉降量為3.1 mm,與計算分析結果基本相符。

4 結論

1) 當小盾構隧道分別采用C40混凝土、C15混凝土及渣土回填時,隨著回填材料強度遞減,大盾構開挖引起的地層位移遞增,盾構管片結構的最大應力亦遞增。

2) 當回填材料為C15混凝土和C40混凝土時,盾構掘進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) 大盾構在小盾構隧道不回填的情況下直接掘進,存在較大的風險。

4) 埋深在21～45 m范圍內,對地面沉降的影響不明顯;隨著埋深增加,地應力顯著增加,隧道結構應力亦隨之增加。

5) 14號線腫瘤醫院站最終采取C15混凝土回填方案,地面沉降監測基本符合數值模擬計算的結果。