大直径盾构下穿既有地铁车站的施工模拟

杨毅秋,张继清

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院,天津 300251)

近年来,随着基础设施建设的飞速发展,出现大量在既有地下结构周围修建新的地铁、铁路隧道等工程现象,且规模越来越大,距离越来越近。这势必造成新建结构对既有结构复杂的影响关系,对既有结构受力和变形不利。在地下结构近接施工中,新建结构的施工会改变既有结构的受力状态,如结构承载力下降、变形过大导致侵限,都将使既有结构正常运营受到影响。因此有必要对新建结构的整个施工过程进行分析,计算既有结构在施工过程中的应力变化及变形过程,对既有结构进行安全评估[1]。盾构施工对周围环境变形影响主要有以下几个方面。

(1)盾构机掘进中平衡掌子面压力：盾构机掌子面压力一般控制在1.0倍[2]地层水平应力左右,并随着掘进过程不断调整[3]。

(2)盾构机与管片之间的盾尾建筑间隙：盾构机刀盘直径较盾构主机直径略大,而管片直径小于盾构主机直径,这就造成管片与开挖断面之际存在一定空间,即盾尾间隙。施工过程中采用盾尾同步注浆填充盾尾间隙,但受同步注浆压力、浆液的凝胶时间及强度等因素的影响,该间隙也是影响周边环境变形的主要方面之一。与隧道断面面积之间的差用土体损失表示,而单延米土体损失与断面面积的比值定义为土体损失率。土体损失率一般在0.5%～1.5%之间[4]。

(3)管片结构受力变形。

目前,盾构施工引起土层变形的预测方法主要有经验法[5]、解析法[6～7]和有限元法[8]等。经验法主要是Peck公式[5],该法假定地面沉降的横向分布类似正态分布曲线,该公式中参数的选取带有经验性,未考虑土层条件和施工过程,且不能预测土层内部的位移场分布。解析法也存在预测结果较实测值偏大等问题。有限元法不仅能够反映土层性质的影响,还能对盾构施工过程进行不同程度的模拟,且能得到不同深度土层的沉降、侧向位移以及地层的变形过程[9],对于城市地下结构这种地质条件、周边环境都很复杂的工程更为适用,因此在盾构隧道施工分析中得到了越来越广泛的应用。本文考虑盾构施工对环境的影响评价应综合考虑实际工程情况的基础上,对上述3个主要影响进行分析,确定施工措施。

1 工程概况

某铁路双线盾构隧道在城市繁华路段下穿现正在施工建设的地铁4号线某车站。隧道外径11.97 m,采用泥水盾构施工。隧道覆土为29.2 m,隧道顶与地铁4号线结构底板之间预留4.94～6.07 m土柱,施工期间对地铁4号线该车站的直接影响范围为结构两变形缝之间的12 m段落。车站为三拱两柱双层站,车站结构宽22.9 m。4号线底板施作了板凳桩加固地层(图1),为盾构隧道施工预留条件。地铁2号线为已运行10年的地铁线路,该段与新建隧道平行,水平净距11.4 m,垂直净距17 m,垂直上穿4号线区间结构。地铁2号线车站为两柱三跨单层站,车站结构标准段宽19.7 m。盾构与既有车站结构的空间位置关系如图2所示。

图1 盾构过站板凳桩预加固措施

图2 盾构与既有车站结构的空间位置关系

计算模型为取一定边界范围内的土体、地铁结构、隧道作为分析对象,采用地层结构模型进行三维弹塑性计算,模拟盾构隧道施工过程。计算模型选取的计算范围考虑到近接施工的有效影响范围及合理的计算规模,选取竖向66 m,横向70 m,纵向60 m。

2 计算假定及过程模拟

2.1 计算假定

(1)假定计算边界处不受隧道开挖的影响,即该处为静止的原始应力状态,变形为零,用约束来模拟。

(2)计算宽度取从隧道边墙处往外不小于2.5倍的隧道宽度。

(3)盾尾间隙内的同步注浆采用等代层模拟。

(4)注浆加固土的力学参数在原土层参数基础上适当提高。

(5)变形缝处用空气单元代替,认为变形缝两边的结构变形完全独立。

2.2 过程模拟

(1)初始地应力

初始地应力由有限元法计算,即将自重荷载转化为等效节点荷载计算初始地应力场。

(2)分步施工模拟

计算中采用分步来模拟施工过程,每一个分步是指一个相对完整的施工阶段。

对各施工阶段的状态,有限元分析的表达式为

[K]i{Δδ}i={ΔFr}i+{ΔFg}i+{ΔFp}i

(i为施工步数)

盾构施工模拟分为3个部分,盾构机掘进中平衡掌子面压力；管片脱离盾尾,同步注浆及盾尾间隙导致地层下沉变形；最终衬砌的结构受力。地层分布及结构模型如图3所示。

图3 地层分布及结构模型(盾构区间、注浆加固区及地铁车站结构)

选取的各土层的物理力学参数见表1。

表1 各土层主要物理力学参数

施工步骤分为5个开挖步,共11个计算步完成,具体计算过程如下。开挖步骤如图4所示。

图4 开挖步骤

步骤1：施加重力,模拟注浆加固,计算形成初始应力场。

步骤2：掘进12 m,采用等代地层来模拟盾构推进时开挖面土体的移动和土体挤入盾尾空隙的施工影响。

步骤3：施加管片衬砌。

步骤4：继续向前掘进至24 m,采用等代地层来模拟盾构推进时开挖面土体的移动和土体挤入盾尾空隙的施工影响。

步骤5：施加管片衬砌。

步骤6：继续向前掘进至42 m,采用等代地层来模拟盾构推进时开挖面土体的移动和土体挤入盾尾空隙的施工影响。

步骤7：施加管片衬砌。

步骤8：继续向前掘进至48 m,采用等代地层来模拟盾构推进时开挖面土体的移动和土体挤入盾尾空隙的施工影响。

步骤9：施加管片衬砌。

步骤10：掘进至另一端,采用等代地层来模拟盾构推进时开挖面土体的移动和土体挤入盾尾空隙的施工影响。

步骤11：施加管片衬砌。

3 计算结果及分析

3.1 盾构推进过程中近接地铁结构竖向位移云图

盾构进入2、4号线车站前及穿越车站后的结构竖向位移如图5所示，盾构剖面竖向变形如图6所示。

图5 盾构进入2、4号线车站前及穿越车站后的结构竖向位移

图6 盾构剖面竖向变形云图

3.2 开挖结束后沿车站结构纵向各路径选取

计算结果路径选取如图7所示。

图7 计算结果路径选取

4号线地铁车站路径1及2号线路径3变形汇总如表2所示。

表2 4号线地铁车站路径1及2号线路径3变形汇总 mm

地表变形路径选取如图8所示，地表变形汇总见表3。

表3 地表变形汇总

图8 地表变形路径选取

3.3 结果分析

(1)4号线车站结构的最大沉降位于盾构隧道最上方的双层结构处,结构沉降最大值是6 mm。车站横断面底板跨度22.9 m,最大差异沉降4 mm。

(2)2号线车站结构的最大沉降位于结构离盾构隧道最近处,结构沉降最大值5 mm,车站横向最大差异沉降3 mm,车站结构为扭转变形。

(3)地表沉降最大值位于盾构隧道顶点上方,地表最大沉降为10 mm。

(4)分析结果中4号线车站变形缝处的最大差异沉降差为0.02 mm。

(5)结构的应力变化值不超过12%。

4 结论

采用盾构进行近接施工的关键是尽量减小对地层扰动,减少盾尾间隙产生的土体损失。[10]对于本工程穿越的砂卵石地层,掘进过程中容易产生大的扰动,需要进行洞内或地表的加固措施。通过对4号线地铁车站底板盾构下穿范围的板凳桩及注浆预加固,车站结构差异变形和应力变化都能得到有效控制。计算模型中的变形缝有效地阻断了变形的连续性,2号线车站位于变形缝另一侧,变形较小。

盾构下穿4号线车站段时应严格控制掘进速度,并采取管片背后二次注浆加固措施,对周围地层进行加固,并加强监控量测。

三维有限元模拟比较真实、系统地反映出施工过程中应力、应变场的空间时空效应,计算结果证明采取有针对性的工程措施的前提下,隧道近邻施工是可行的,为将来类似工程提供了借鉴。

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