盾構(gòu)隧道近距斜交下穿既有地鐵車站變形沉降數(shù)值模擬分析

董辰浩

（中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，由于地下空間的局限性，新建地鐵隧道修建過程中不可避免地要下穿既有地鐵車站。目前，地鐵隧道建設(shè)常用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，掘進(jìn)施工過程控制不當(dāng)容易引起隧道周圍地層土體擾動(dòng)，繼而對車站主體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)產(chǎn)生影響［1］。因此，地鐵車站對沉降變形控制精度要求較高。為確保施工安全及既有線路的平穩(wěn)運(yùn)行，本研究以實(shí)際工程為例，采用數(shù)值模擬軟件建立三維模型，分析研究地鐵隧道近距離斜交下穿施工對既有地鐵車站的影響［2］，以期指導(dǎo)實(shí)際下穿施工過程，最大限度地降低施工風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證該模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及可行性。

1 工程概況

某地鐵車站為地下三層雙柱三跨車站，車站主體和附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖法施工，擬建隧道采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工。盾構(gòu)隧道穿越車站應(yīng)斜切止水帷幕、鉆孔灌注樁、車站中部臨時(shí)立柱樁及車站區(qū)間分界地連墻，穿越圍護(hù)樁角度為76.6°，下穿既有站后進(jìn)行盾構(gòu)接收工作。盾構(gòu)施工采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，區(qū)間管片厚度為0.35 m，內(nèi)徑為5.5 m，環(huán)寬為1.5 m。

端頭隧道主要位于A②51 細(xì)砂層中，端頭加固區(qū)域主要位于A②22 粉質(zhì)黏土層和A②51 細(xì)砂層。采用冷凍法加固，加固體為杯狀，杯壁厚度2 m，縱向長度為12 m，杯底厚度為3.5 m。

既有車站凈寬為22.1 m，穿越長度為22.7 m，寬度為24.1 m。下穿既有車站時(shí)，盾構(gòu)隧道頂距離車站底板最小豎直凈距約為2.18 m，距離車站底板下方預(yù)留換乘通道最小凈距1.2 m。擬建隧道下穿既有站橫剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿既有站橫剖面位置關(guān)系

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，穿越段車站及區(qū)間隧道所處地層自上而下為A①1層雜填土、A②31C粉砂、A②31 黏質(zhì)粉土、A②32 黏質(zhì)粉土、A②41 粉砂、A②22 粉質(zhì)黏土、A②51 細(xì)砂，下穿段盾構(gòu)區(qū)間隧道主要位于A②51 細(xì)砂層，層厚8.40～18.80 m。據(jù)調(diào)查，場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)諸如塌陷、巖溶、地面沉降及裂縫等不良地質(zhì)作用。

2.2 水文地質(zhì)

該工程地下水類型屬第四系松散孔隙潛水，主要賦存于30 m 以上的黏質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)砂層中。穿越既有站隧道主要位于細(xì)砂層，穩(wěn)定地下水位埋深為地面以下13.5 m，區(qū)間隧道拱頂以上4.6 m。

3 變形數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算方法

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論模型可分為連續(xù)介質(zhì)模型（地層—結(jié)構(gòu)模型）、作用與反作用模型（荷載—結(jié)構(gòu)模型），考慮到新建區(qū)間隧道施工引起既有地鐵車站的變形與地層密切相關(guān)，此工程采用地層—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析［3］。

3.2 基本假定

由于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機(jī)性和復(fù)雜性，要完全模擬巖土材料的力學(xué)性能和嚴(yán)格按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬是非常困難的。在建模和計(jì)算過程中，應(yīng)考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問題進(jìn)行適當(dāng)簡化［4］。在本次數(shù)值模擬中采用了以下假設(shè)：①初始應(yīng)力場的模擬，根據(jù)勘察報(bào)告提供的不同土層剖面，根據(jù)不同的土體分層條件和重度，計(jì)算新建工程施工前土體初始應(yīng)力場分布，考慮既有地鐵結(jié)構(gòu)對初始應(yīng)力場的影響［5］；②介質(zhì)的模擬，巖土體采用修正莫爾-庫倫彈塑性模型，采用實(shí)體單元模擬；車站結(jié)構(gòu)墻板、盾殼、管片、蓋板等采用板單元模擬；結(jié)構(gòu)梁、柱、鉆孔灌注樁等采用梁單元進(jìn)行模擬；③邊界條件的模擬，對計(jì)算土體的底面約束豎向Z的位移，側(cè)面分別約束橫向X、縱向Y的位移，地表為自由面［6］；④施工階段的模擬，通過有限元軟件的“激活單元、鈍化單元”模擬施工對既有地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘單位提供的地勘資料和報(bào)告，在深度60 m 的模型范圍內(nèi)按照土層參數(shù)相近原則劃分為5 層土體。采用實(shí)體單元模擬土體，選取模型土體材料參數(shù)見表1。

表1 土體模型材料參數(shù)

在盾構(gòu)隧道施工階段，車站結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道襯砌處于彈性變形階段，故采用板單元模擬地鐵結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)機(jī)盾殼，采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)梁柱等［7］。具體參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)模型材料參數(shù)

3.4 模型建立

根據(jù)新建隧道施工對既有站的外部作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)影響等級，結(jié)合施工過程中的空間效應(yīng)，重點(diǎn)分析既有站南端接收端地層加固—區(qū)間左線隧道掘進(jìn)及盾構(gòu)接收—區(qū)間右線隧道掘進(jìn)及盾構(gòu)接收對既有地鐵車站的影響。

模型尺寸分別為350 m×300 m×60 m，采用混合六面體單元，模型共有225 887 個(gè)單元，124 271 個(gè)節(jié)點(diǎn)，施工期間按照每18 m 一個(gè)掘進(jìn)單元進(jìn)行模擬［8］，左右線隧道中心間距17 m，隧道覆土25.4 m，管片外徑6.2 m，厚度0.35 m，先進(jìn)行左線隧道掘進(jìn)施工，后進(jìn)行右線隧道掘進(jìn)施工。據(jù)此建立模型，相對位置關(guān)系和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 空間網(wǎng)格模型

3.5 分析工況設(shè)置

結(jié)合實(shí)際施工組織計(jì)劃，在數(shù)值模擬分析時(shí)，按照以下施工順序進(jìn)行模擬：初始地應(yīng)力平衡（Step0）—車站主體及附屬結(jié)構(gòu)施工和地應(yīng)力平衡（Step1）—既有站接收端地層加固（Step2）—左線盾構(gòu)掘進(jìn)及接收（Step3-7）—右線盾構(gòu)掘進(jìn)及接收（Step8-12）。

4 結(jié)果分析

4.1 既有車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形

經(jīng)模擬分析，既有車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形云圖如圖3 至圖6 所示，車站主體結(jié)構(gòu)底部在不同施工步序下豎向變形情況見表3。

表3 車站主體結(jié)構(gòu)底部在不同施工步序下豎向變形

圖3 既有車站接收端地層加固（0.13 mm）

圖4 區(qū)間左線隧道掘進(jìn)及接收（-1.65 mm）

圖5 右線隧道掘進(jìn)及接收（-2.85 mm）

圖6 車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形趨勢圖（隨施工步序）

由表3 可知，在區(qū)間隧道接收端地層加固過程中，車站底部豎向最大變形為上浮0.13 mm；在區(qū)間左線隧道盾構(gòu)施工過程中，車站底部豎向最大變形為沉降1.65 mm；在區(qū)間右線隧道盾構(gòu)施工過程中，底部豎向最大變形為沉降2.85 mm。

4.2 既有車站主體結(jié)構(gòu)水平變形

經(jīng)模擬分析，既有車站主體結(jié)構(gòu)水平變形云圖如圖7至圖10所示，車站主體結(jié)構(gòu)在不同施工步序下水平變形情況見表4。

表4 車站主體結(jié)構(gòu)在不同施工步序下水平變形

圖7 既有站接收端地層加固（0.04 mm）

圖8 區(qū)間左線隧道掘進(jìn)及接收（-1.05 mm）

圖9 區(qū)間右線隧道掘進(jìn)及接收（-1.54 mm）

圖10 車站主體結(jié)構(gòu)水平變形趨勢圖（隨施工步序）

由表4 可知，在區(qū)間隧道接收端地層加固過程中，車站底部水平最大變形為-0.04 mm；在區(qū)間左線隧道盾構(gòu)施工過程中，既有站底部水平最大變形為-1.05 mm；在區(qū)間右線隧道盾構(gòu)施工過程中，既有車站底部水平最大變形為-1.71 mm。

4.3 施工實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)

為及時(shí)掌握地鐵車站和附屬結(jié)構(gòu)、軌道的變形數(shù)據(jù)，以及盾構(gòu)施工對周邊建筑物和管線的影響，預(yù)防工程破壞事故和環(huán)境事故的發(fā)生，在監(jiān)測對象變形和內(nèi)力的關(guān)鍵特征點(diǎn)上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。在工程施工前對地鐵車站的變形情況進(jìn)行復(fù)測，從測定監(jiān)測項(xiàng)目初始值開始，至外部作業(yè)完成且數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后結(jié)束。下穿施工引起既有車站沉降位移變化曲線如圖11所示。

圖11 盾構(gòu)隧道下穿施工既有車站沉降位移變化曲線

擬建隧道穿越既有地鐵車站時(shí)，盾構(gòu)隧道經(jīng)過車站主體結(jié)構(gòu)正上方區(qū)域?yàn)閿_動(dòng)區(qū)域。實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示車站左線區(qū)域最大沉降值為-1.71 mm，右線區(qū)域最大沉降值為-2.62 mm；車站左線區(qū)域水平位移最大值為-1.15 mm，右線區(qū)域水平位移最大值為-1.67 mm。

5 結(jié)論

本研究通過建立三維有限元模型，分析計(jì)算施工新建盾構(gòu)隧道對既有地鐵車站的影響，研究既有車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形及水平位移變化規(guī)律，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論。

①理論計(jì)算及實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足變形控制指標(biāo)，新建隧道施工對既有車站的影響在評估允許的安全范圍內(nèi)。

②預(yù)測結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)均顯示，新建右線隧道施工過程對既有地鐵車站影響較大，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測，及時(shí)跟進(jìn)二次注漿的過程，加固周圍土體，減少后續(xù)沉降。

③通過對比分析，三維模型計(jì)算預(yù)測結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)相近，且保持較高的關(guān)聯(lián)度，驗(yàn)證了采用該模型分析預(yù)測地鐵車站變形規(guī)律的可行性。研究成果為分析隧道下穿施工引起的沉降變形提供了理論依據(jù)。