地铁盾构隧道下穿铁路车站施工对站台无柱雨棚桩基的风险分析

卢裕杰

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，102600，北京∥工程师)

地铁盾构隧道下穿铁路车站是一项高风险的工程，目前相关的研究主要集中在股道的变形上［1-4］。但铁路车站内建(构)筑物形式多样，仅考虑股道的风险控制是不够的。事实上，站台无柱雨棚的桩基变形也是盾构隧道下穿铁路车站施工中不可忽略的风险点。站台无柱雨棚的柱子设置在股道之间，盾构隧道施工导致的桩基变形不但影响其美观效果和正常使用，甚至会危及行车安全，造成严重的后果［5-6］。这凸显了对其进行风险研究的重要性和迫切性。

基于此，本文以昆明城市轨道交通首期工程环城南路站—昆明火车站站盾构施工区间为例，在进行数值模拟的基础上，对地铁隧道穿越站台无柱雨棚的施工风险进行综合分析，并提出规避风险的措施。本研究旨在完善地铁隧道穿越铁路车站的风险分析体系，为类似工程的设计、施工提供参考。

1 工程概况

昆明城市轨道交通首期工程环城南路站—昆明火车站站区间全长1 291.81 m，左右线线间距最大值为24.20 m;区间最大坡度为29.63%，最小坡度为10.49%，覆土厚度 10.79～23.36 m。地铁隧道采用土压平衡式盾构施工，外径6.20 m，衬砌厚度0.35 m。盾构施工自昆明火车站站始发，先左线，完全通过昆明火车站后再施工右线。

在地铁左线里程ⅠDK13 +850～ⅠDK13 +989区间，线路以75°夹角下穿昆明火车站股道，从站台无柱雨棚的桩基群中穿过，主要影响周边6 组桩基。其平面位置关系如图1所示。其中，受影响最大的2 组桩基位于左线里程ⅠDK13 +879.11 处(图 1 中A-A 剖面的1、2 组桩基)，其分别与左、右线隧道结构外轮廓的净距为2.66 m 和0.84 m。

昆明火车站站台无柱雨棚于2006年建成投入使用，为大跨钢管桁架网架结构。雨棚柱纵向(沿股道方向)间距为15～25 m，横向(垂直股道方向)间距分别约为47.20 m 和41.25 m。柱基础采用φ600 mm 摩擦型钻孔灌注桩，两桩一承台形式，桩长30 m。受影响最大的桩基与地铁盾构隧道的横向关系如图2所示。

图1 地铁盾构隧道与站台无柱雨棚桩基的平面关系图

图2 地铁盾构隧道与站台无柱雨棚桩基的横向关系图

场区地层自上到下依次为杂填土①1，黏土②3，粉砂③3。盾构隧道主要从粉砂层中穿越。粉砂层分布较连续，呈褐灰、灰、深灰色，中—密实，为中压缩性土。

地下水主要赋存于第四系黏土及粉砂中，多以潜水或上层滞水形式存在，局部具微承压。地下水位于地表下约1～2 m。

2 盾构隧道下穿站台无柱雨棚的主要风险

地铁隧道下穿昆明铁路车站施工对站台无柱雨棚柱基的主要风险如下:

1)引起钻孔灌注桩整体沉降:盾构在桩侧推进时，隧道周围土层将不可避免地受到扰动，产生沿隧道方向的沉降，桩基相对土体有向上的运动趋势，产生负摩擦力，使桩基承载力降低。由于站台无柱雨棚基础为摩擦型钻孔灌注桩，摩擦力的损失可能导致其发生过量的沉降。

2)引起钻孔灌注桩间的差异沉降:盾构推进所导致的地表变形在三维上表现为一个凹形沉降槽［7-8］，这使得处于不同位置的钻孔灌注桩会发生不同的沉降量，从而导致雨棚桩基发生差异沉降。

3)引起钻孔灌注桩的侧向变形:在盾构推进过程中，桩周围土体除产生竖向位移外，还有水平向位移，导致桩基产生沿深度方向不同的侧向变形，从而引起桩基的扭曲、倾斜等。

4)盾构穿越粉砂层时出现漏水、漏沙现象:由于地铁区间隧道处在粉砂③3层，地层空隙率较大，且土自身不具有造泥性，盾构通过时可能出现漏水、漏沙现象，造成地层损失，从而危及桩基安全。

5)盾构机碰撞钻孔灌注桩:由于盾构隧道外轮廓与雨棚钻孔灌注桩的最小净距仅为0.84 m，原桩基可能存在施工误差，盾构通过时的掘进线路也可能出现偏差，隧道施工过程中一旦出现盾构机碰撞桩基的事故，将可能造成桩基破坏，产生严重后果。

3 利用数值模拟进行风险分析

3.1 三维有限元模型的建立

为确定站台无柱雨棚的桩基在地铁盾构下穿铁路车站施工过程中的风险程度，选择受影响最大的桩基，利用有限元软件 Geotechnical and Tunnel Analysis System(GTS)建立三维模型进行分析。模型沿地铁隧道纵向(Y 轴)取36 m，深度向(Z 轴)取隧道底面以下40 m，横向(X 轴)取隧道中心线外30 m。根据昆明地区盾构施工经验，模型宽度能够满足沉降槽要求。

土体及隧道采用四面体单元;管片和盾构机盾壳采用板单元;桩基采用桩单元，通过接触界面与土体相连接。对隧道、桩基及其周边围岩体采用了细密单元，往外逐步增大，如图3所示。

盾构推进采用刚度迁移法［9-11］，每个开挖步为2.40 m，先进行盾构隧道左线的施工，通过昆明火车站后再进行右线施工。由于本计算主要考虑盾构推进过程中雨棚桩基的变形情况，模型忽略盾构机与周围土体之间的摩擦作用及盾构机推进过程中的千斤顶压力。此外，计算模型假定每根雨棚桩基独立承担盾构施工所导致的变形。

土体本构模型采用Drucker-Prager 准则。根据有关详细勘测报告，土体力学参数取值如表1所示。

图3 三维模型计算网格

表1 土层力学参数表

计算模型采用位移边界条件，侧面限制水平位移，底部限制竖直位移，模型上表面取为自由边界。

3.2 计算结果分析

盾构隧道左线及双线贯通后，站台无柱雨棚的桩基所在断面的竖向位移等值线如图4所示。可见，地铁隧道施工导致地层形成明显的沉降槽，沿着新建地铁隧道近似对称分布，与基本规律吻合。因此，下文将利用数值结果，对站台无柱雨棚桩基的整体沉降、差异沉降及侧向变形进行分析。

分别选取左、右桩基承台顶部的1 个节点，描绘其随着地铁隧道盾构推进过程的沉降变化趋势(如图5所示)。

图4 桩基所在断面竖向变形等值线

图5 盾构推进时桩基承台顶部沉降时程曲线

左线隧道推进过程中，左、右桩基均发生沉降且数值逐渐增大。其中，左桩基最大沉降值达到8.86 mm;右桩基由于距离左线隧道较远，受到左线隧道推进的影响小，最大沉降值为6.12 mm。

在右线隧道的推进过程中，左桩基的竖向沉降缓慢增加并基本趋于稳定，最终沉降量为10.58 mm;右桩基竖向沉降量则增加明显，达到13.66 mm。

假设除数值模型中分析的最危险桩基外，其它位置的桩基均不发生沉降，则可以认为两相邻雨棚桩基的最大差异沉降为13.66 mm。

盾构隧道左线及双线贯通后，左桩基和右桩基的侧向变形随桩深的变化曲线如图6所示。图6中，水平位移的正负与数值模型的X 轴一致，即正位移表示由左线隧道指向右线隧道方向，负位移则相反。盾构隧道与桩基的位置关系参见图2 和图3。

图6 桩基侧向变形随桩深分布曲线图

由图6 可知，左右桩基的水平位移均在盾构隧道竖向所在位置处达到最大值。左线盾构推进对左桩基影响较大，最大侧向变形为5.89 mm。右线盾构推进后，左桩基侧向变形出现小幅度增加，叠加后的最大值为8.27 mm。右桩基侧向变形变化明显，由-2.69 mm 变化至 10.82 mm。

3.3 变形容许值的确定

目前，地铁盾构隧道施工对相邻建(构)筑物产生影响的位移限值尚没有明确的规定。本研究依据《北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系》，并参考昆明、上海、广州等地的工程实践，拟定变形控制标准如表2所示。

表2 建(构)筑物变形容许值

昆明火车站是我国西南地区最大的火车站，若站台无柱雨棚桩基产生过大的变形将直接危及铁路行车安全，因此，对其风险分析采用表1 中重要性等级为Ⅰ级的变形控制指标。

3.4 盾构隧道下穿昆明火车站施工的桩基风险分析

各风险事件的风险等级标准依据其发生的概率和后果等级来确定［12］，如表3所示。风险接受准则如表4所示。

表3 风险等级标准

表4 风险接受准则

结合数值模拟结果，盾构隧道下穿昆明火车站过程中，站台无柱雨棚的桩基最大沉降为13.66 mm，虽未超过15 mm，但比较接近，该事件可能发生，故其概率等级评定为4 级。桩间的最大差异沉降为13.66 mm，远大于表2 中5 mm 的容许值，虽然实际上各桩基均有所沉降，其最大值不一定达到计算极限值，但差异沉降超容许值的可能性很大，故其概率等级评定为5 级。右桩基水平位移的最大值为10.82 mm，略微超过了表2 中10 mm，故其概率等级评定为4 级。鉴于目前盾构设计、制造、施工技术的日趋完善，盾构穿越粉砂层时出现较大的漏水漏沙事故为偶然现象，故其概率等级评定为3 级。同时，盾构机在推进过程中撞上桩基也不太可能出现，故其概率等级评定为2 级。

由于昆明火车站的重要性，无论桩基发生何种超限值的变形，均可能危及行车安全而造成重大影响，因此以上风险事件的后果等级均评定为4 级(很严重)。由此可得盾构隧道下穿昆明火车站站台无柱雨棚的初始风险等级如表5所示。

表5 初始风险等级表

4 降低风险的措施及相关分析

根据风险评估结果，结合现有盾构隧道施工经验，规避风险的主要技术措施包括:

1)优化盾构掘进参数:在盾构推进过程中，通过设定推进速度、调整排水量等，尽量做到土仓压力与地压力的平衡，以减少对地层的扰动;要尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形建筑空隙中充填足量的浆液材料;在盾构后再向衬砌背面进行二次注浆或多次注浆，以弥补同步注浆的不足，减小地层损失。

2)提高管片强度，增设注浆孔:由于昆明火车站雨棚桩基周围地层不存在注浆加固条件，而且地铁隧道与桩基的水平距离很小，因此，在优化掘进参数的同时，应加强盾构机管片的强度;并在盾构通过过程中在靠近桩基的盾构机侧向增设注浆孔，以便对桩基侧向进行加固，最大限度地减少盾构施工对桩基所造成的影响。

3)土体改良:盾构推进过程中通过加泥浆和泡沫的方法进行土体改良。根据出土的情况，适当地加大泥浆的浓度、数量和一定量的泡沫，以较好地改善土体的流塑性，使得盾构前方土压保持稳定，以控制地面的隆陷。

对采取措施后的盾构隧道下穿昆明火车站施工时的无柱雨棚桩基进行有限元分析;并根据隧道的埋深、数值模型在掌子面施加0.18 MPa 的前仓压力，管片混凝土强度由C45 提高到C50，同时在隧道周边形成厚1 m 的注浆层等条件，用弹性材料模拟。现以地铁隧道双线贯通时左、右桩基的侧向变形为例，将采取降风险措施前后的计算结果对比绘于图7(水平位移正负号同图6)，其余计算结果列于表6。

图7 采取降风险措施前后桩基的侧向变形比较图

表6 采取降风险措施后地铁隧道双线贯通时的计算结果 mm

图7 及表6 均说明了以上降风险技术措施能够有效地控制桩基各项变形，且计算结果均在变形容许范围内。因此，再付诸于以下施工安全措施，则可使风险降低到可以接受的水平。

1)加强监测，实现信息化施工:在盾构隧道推进过程中，对站台无柱雨棚的桩基变形进行监控量测，并且将监控量测结果用于反馈、指导盾构施工，以确保盾构的顺利通过。

2)盾构通过昆明火车站前进行试验:由于盾构施工对站台无柱雨棚桩基的影响，在盾构隧道通过昆明火车站前先进行试验，调整盾构参数，确保盾构机处于最佳状态，并且在盾构隧道下穿昆明火车站过程中不停机。

3)盾构通过前对站台无柱雨棚的桩基进行全面排查:在盾构隧道通过前，对站台无柱雨棚的实际分布情况进行全面排查，同时在掘进过程中加强观测，确保盾构机不会碰撞站台无柱雨棚的桩基。

4)制定施工应急预案:在盾构隧道通过昆明火车站雨棚前，施工单位应制定应急机制，做出详细的应急预案;在盾构隧道下穿施工时应保证人员、措施、物资到位，能在任何险情出现的第一时间做出有效反应，确保不发生影响昆明火车站正常运营的事故。

5 结语

1)由模拟计算可知，在盾构隧道下穿昆明火车站站台无柱雨棚期间，由于地层的扰动，雨棚的桩基将会产生整体沉降、差异沉降及侧向变形。其中，最大差异沉降及侧向变形均超过容许值。

2)事件的风险等级依据其发生的概率等级和后果等级综合评定。研究结果表明，雨棚桩基的整体沉降、桩间的差异沉降及桩基侧向变形风险等级为“极高”，为此设计、施工单位应采取措施，将风险降低到可接受的水平。

3)在盾构下穿火车站的施工期间，需要综合采用优化盾构参数、土体改良等技术措施，以及加强监控量测、盾构通过前进行试验等施工安全措施。目前，盾构隧道已顺利通过昆明火车站，现场监控量测结果与模拟计算吻合，说明了本分析方法的正确性和工程适用性。

4)本文将常规的风险评估方法与数值模拟结合起来，对盾构隧道下穿火车站施工时站台无柱雨棚桩基的施工风险进行综合分析，方法简单易行，分析结果能满足工程需要，具有进一步推广应用的价值。

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