張璐榮,杜明芳,趙 潔,田棟梁,裴增增

(河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)概況

盾構(gòu)機(jī)從苗圃站東端頭盾構(gòu)井吊入,掘進(jìn)該區(qū)間,掘進(jìn)至2號(hào)線二里崗站西側(cè)風(fēng)井處,出洞后空推過風(fēng)井,自風(fēng)井東端頭再次始發(fā)后下穿既有2號(hào)線二里崗站后到達(dá)6號(hào)線車站,自6號(hào)線車站西端頭盾構(gòu)井吊出解體;風(fēng)井—二里崗站區(qū)間左線長(zhǎng)度為61.265 m,右線長(zhǎng)度為59.529 m,風(fēng)井與二里崗站區(qū)間隧道線間距10.22～10.87 m;風(fēng)井—二里崗站區(qū)間隧道平面設(shè)計(jì):區(qū)間線路為直線段,線間距10.22～10.87 m;拱頂覆土厚度18.17～18.4 m。

該工程區(qū)間里程在YDK29+475.376(ZDK29+477.113)～YDK29+494.176(ZDK29+495.013)處下穿二里崗站既有車站;在YDK29+461.261(ZDK29+462.861)～YDK29+497.261(ZDK29+498.861)采用增設(shè)注漿孔管片;為確保下穿二里崗車站的安全、順利接收,在接收端頭加固采用信息化技術(shù)注漿(充填注漿)+長(zhǎng)套筒的施工方法進(jìn)行安全接收;襯砌圓環(huán)內(nèi)徑5 500 mm、外徑6 200 mm,管片厚度為350 mm,寬度為1 500 mm,楔形量為40 mm,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道范圍內(nèi)地層的組成自上而下為1-1雜填土、3-32黏質(zhì)粉土、3-41粉砂、3-33黏質(zhì)粉土、3-22粉質(zhì)粘土、3-22F鈣質(zhì)膠結(jié)。區(qū)間左右線主要穿越斷面地層為:3-33黏質(zhì)粉土層、3-22F鈣質(zhì)膠結(jié)層,其中區(qū)間拱頂上1.5 m至隧道底上1 m范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土,隧道底部為鈣質(zhì)膠結(jié)層,隧道埋深18.4 m,水位為地下15.8 m。

1.3 區(qū)間過風(fēng)井概況

二里崗站隧道風(fēng)機(jī)房6-1號(hào)風(fēng)亭設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為Y(Z)DK29+424.761,設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為Y(Z)DK29+438.261,隧道風(fēng)機(jī)房結(jié)構(gòu)外包長(zhǎng)度為15.3 m。隧道風(fēng)機(jī)房及1號(hào)風(fēng)亭標(biāo)準(zhǔn)段寬度為15.3 m,總長(zhǎng)為48.5 m,其中隧道風(fēng)機(jī)房基坑深26.36～28.61 m,1號(hào)風(fēng)亭基坑深17.85～19.65 m;站址處地面標(biāo)高為102.3～102.69 m,頂板覆土厚度為2.75～3.54 m。

1.4 區(qū)間與2號(hào)線二里崗站位置關(guān)系

新建盾構(gòu)隧道與2號(hào)線二里崗站呈84°下穿,左線盾構(gòu)機(jī)自風(fēng)井始發(fā)后掘進(jìn)約38 m即開始下穿2號(hào)線二里崗站,右線盾構(gòu)機(jī)自風(fēng)井始發(fā)后掘進(jìn)約36 m即開始下穿2號(hào)線二里崗站;左線全長(zhǎng)61.265 m,右線全長(zhǎng)59.529 m;盾構(gòu)掘進(jìn)方向刀盤右側(cè)抵至圍護(hù)樁時(shí),刀盤左側(cè)距圍護(hù)樁約68 cm;區(qū)間在里程YDK29+461.261～YDK29+497.261(ZDK29+462.861～ZDK29+498.861)處下穿2號(hào)線二里崗站,盾構(gòu)機(jī)頂部與車站底板下翻梁最近距離為1 030 mm,屬于超近距盾構(gòu)施工;盾構(gòu)機(jī)與車站底板距離約為2 130 mm。

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 模型構(gòu)建

應(yīng)用PLAXIS 3D有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,盾構(gòu)法施工擾動(dòng)范圍在隧道軸線3倍洞徑范圍以內(nèi)[16],所以,模型在x軸、y軸、z軸向的尺寸分別為200、300、50 m,本次模擬中假設(shè)圍巖材料為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì),且在初始應(yīng)力場(chǎng)模擬時(shí)不考慮構(gòu)造應(yīng)力,僅考慮自重盈利的影響。掘進(jìn)參數(shù)如表1所示。

表1 掘進(jìn)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

由于新建盾構(gòu)隧道主要對(duì)土體及既有線產(chǎn)生豎向位移,這里僅研究其豎向變形。右線施工土體變形云圖如圖1所示,2號(hào)線車站的豎向變形云圖如圖2所示。

圖1 右線施工土體變形云圖

圖2 2號(hào)線車站豎向變形云圖

當(dāng)左線與右線施工完成時(shí),土體的變形云圖為如圖3所示,2號(hào)線車站的豎向變形云圖如圖4所示。

圖3 土體位移云圖

圖4 2號(hào)線車站位移云圖

綜上可知:盾構(gòu)右線施工引起的土體最大變形為4.74 mm,右線施工導(dǎo)致2號(hào)線車站產(chǎn)生的豎向變形最大值為4.75 mm。當(dāng)盾構(gòu)隧道左右線施工完成后,土體的最大位移為5.74 mm,2號(hào)線車站的最大豎向位移為5.72 mm。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在盾構(gòu)施工過程中,對(duì)影響范圍內(nèi)的地鐵2號(hào)線車站隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),以確保施工過程中既有結(jié)構(gòu)的安全。按照車站區(qū)間結(jié)構(gòu)影響遠(yuǎn)近布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),在盾構(gòu)施工下方及前后15 m范圍內(nèi),按每隔5 m一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,在影響區(qū)域較遠(yuǎn)部位,按10 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)范圍包括鄭州地鐵2號(hào)線二里崗站上下行區(qū)間約70 m范圍,在盾構(gòu)施工完成后,隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后,停止監(jiān)測(cè)。

盾構(gòu)隧道左右線施工過程中,考慮到既有隧道及周圍土體主要產(chǎn)生的是豎向變形,故對(duì)盾構(gòu)隧道施工中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向變形數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向變形數(shù)值如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值曲線

由圖5可知,當(dāng)盾構(gòu)右線施工完成時(shí),2號(hào)線車站的最大豎向沉降變形值為5.89 mm,最大沉降點(diǎn)發(fā)生在右線上方的S1點(diǎn)位置;各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形值隨著距離右線越遠(yuǎn),變形值就逐漸減小。當(dāng)盾構(gòu)左右線施工完成時(shí),2號(hào)線車站的最大豎向沉降變形值為7.34 mm,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形值隨著與盾構(gòu)左右線施工距離的增大,變形值逐漸減小。模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

4 安全措施

4.1 地面沉降保證措施

(1)地面監(jiān)控量測(cè)、隧道內(nèi)監(jiān)控量測(cè)與盾構(gòu)掘進(jìn)施工密切結(jié)合,密切監(jiān)測(cè)地面沉降和隆起變形量以及管片拱頂變形、凈空收斂值。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)針對(duì)性的指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)施工,當(dāng)?shù)孛娉两抵灯髸r(shí)適當(dāng)提高土倉(cāng)壓力、注漿量和注漿壓力,隆起量偏大時(shí)可適當(dāng)降低土倉(cāng)水壓和注漿量以及注漿壓力,確保地面建筑物變形在可控范圍。

(2)精細(xì)控制土倉(cāng)壓力,減少土倉(cāng)壓力波動(dòng),保證開挖面穩(wěn)定;根據(jù)不同地層特點(diǎn)以及掘進(jìn)過程中經(jīng)驗(yàn)總結(jié)進(jìn)行渣土改良,增加渣土的流動(dòng)性、黏性確保掌子面壓力穩(wěn)定,掘進(jìn)過程中適當(dāng)增大土倉(cāng)壓力,提高渣土改良性質(zhì)。

(3)細(xì)致調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài),保持平緩?fù)七M(jìn);施工過程中,保持盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定,避免掘進(jìn)方向上下躥動(dòng)和左右擺動(dòng),減少糾偏。糾偏采用分次糾偏并及時(shí)回糾,每環(huán)糾偏量不大于5 mm,盡量減少對(duì)地層的擾動(dòng)。

4.2 盾構(gòu)掘進(jìn)保證措施

(1)正確使用盾構(gòu)機(jī)所裝備的高度現(xiàn)代化的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量指引系統(tǒng)。在盾構(gòu)隧洞施工之前,要嚴(yán)格按要求建立起一套嚴(yán)密的人工測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng),根據(jù)自動(dòng)測(cè)量的精度和工程的精度要求決定人工控制測(cè)量和復(fù)核的內(nèi)容及頻率。

(2)認(rèn)真做好盾構(gòu)機(jī)的操作控制,按“勤糾偏、小糾偏”的原則,每環(huán)糾偏量不大于3 mm;通過嚴(yán)格的計(jì)算,合理選擇和控制各千斤頂?shù)男谐塘俊?/p>

(3)合理使用超挖刀和鉸接千斤頂來控制盾構(gòu)機(jī)的軸線,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞軸線的線形控制。

5 結(jié) 論

基于PLAXIS 3D有限元軟件,以鄭州市苗二區(qū)間的盾構(gòu)施工下穿既有地鐵車站為例,通過建立三維模型,并收集相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究了盾構(gòu)超近距下穿施工中,當(dāng)右線施工完成后和雙線施工完成對(duì)既有線的變形影響,分析了土體及2號(hào)線車站結(jié)構(gòu)的變形特征。結(jié)果表明:(1)通過數(shù)值模擬結(jié)果顯示:盾構(gòu)右線施工引起的土體最大變形為4.74 mm,右線施工導(dǎo)致2號(hào)線車站產(chǎn)生的豎向變形最大值為4.75 mm。當(dāng)盾構(gòu)隧道左右線施工完成后,土體的最大位移為5.74 mm,2號(hào)線車站的最大豎向位移為5.72 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,且2號(hào)線車站的最大變形值均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。(2)盾構(gòu)隧道下穿施工中,隨著既有2號(hào)線車站與盾構(gòu)施工距離的增大,既有結(jié)構(gòu)豎向位移以及周圍土體的變形逐漸減小,且增加幅度逐漸減小。針對(duì)這一變形特征,提出相應(yīng)的施工措施,保證盾構(gòu)施工中既有線的安全。