轨道交通隧道下穿火车站施工安全影响及控制

王 祥， 陈发达， 徐 文， 刘 凯， 吴贤国， 陈 彬

(1. 贵阳城市轨道交通有限公司，贵州 贵阳 550091；2. 信阳师范学院 建筑与土木工程学院，河南 信阳 464000；3. 华中科技大学 土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074)

由于隧道开挖工程的施工复杂性和环境特殊性，在施工过程中不可避免地会产生底层损失、扰动、固结沉降等一系列可导致施工区域底层发生变形的现象，进而导致上方火车站站房桩基及站场既有铁路随之发生移动或变形。因此，站场铁路和站房桩基基础变形是下穿新建工程修筑过程中需要控制的关键[1]。

近年来，一批学者基于具体工程实例研究隧道开挖对既有火车站站房桩基或铁路的影响，熊巨华等[2]讨论了6种因素对邻近单桩竖向受力特性的影响规律；乔世范等[3]基于随机介质理论推导出隧道开挖引起的地表及岩土体移动和变形的一般公式；孙庆等[4]通过离心机试验研究了粘土中隧道开挖对桩基的瞬时和长期影响；杨永威[5]采用现场监测和数值模拟相结合的手段对盾构开挖引起的地表沉降与对临近桩基的影响进行了研究；覃林[6]基于数值仿真分析方法探讨了边坡与隧道变形的相互作用机理，评估了在隧道开挖前边坡的整体稳定性，评价了边坡在隧道开挖后的变形和受力规律；朱逢斌[7]研究了地铁隧道开挖对侧向群桩工作性状的影响，提出减小或消除地铁隧道施工对邻近桩基及建筑物影响的具体措施；Mahmoudi等[8]采取数值反分析方法确定隧道施工过程中土体的变形；曹志勇等[9]进行了盾构隧道穿越建筑物的建筑物变形控制与预测研究；Yang等[10]研究了双线盾构隧道施工工艺对框架结构的影响；黎春林等[11]研究了盾构隧道施工临近建筑物风险等级评估方法；宫志群等[12]研究了基坑及隧道群施工对邻近建筑物的叠加影响；田晓艳等[13]提出了隧道开挖对建筑物条形基础效应的简化解析解。当前研究大多采用定性方法分析盾构下穿对临近建筑的影响或提出控制措施，没有考虑建筑及其内部荷载在施工期间的同步影响，无法提供定量的建筑沉降量进而提出有针对性的控制措施。

本文拟采用数值模拟方法，对贵阳轨道交通1号线第七工作段火车站站―沙冲路站暗挖区间下穿贵阳火车站站房及站场施工的安全性影响评估，综合考虑岩土的自重应力、站场列车荷载和站房荷载，对开挖过程和支护进行了模拟，预测项目暗挖区间的开挖对站场铁路及站房桩基的影响程度及可能带来的危害，从而对施工方案提出合理性意见。

1 工程概况

火车站站―沙冲路站区间位于南明区，是双洞单线结构，全长925.411 m，其中左隧道下穿站房(售票厅及行包房)段长 55 m，下穿站场(客运站台及股道)段长 127.779 m，右隧道下穿站房(售票厅及行包房)段长55 m，下穿站场(客运站台及股道)段长128.811 m。从平面上看，火车站站―沙冲路站区间隧道与火车站售票厅及行包房平面夹角约 72.5°，拱顶埋深为16 m。从纵断面上看，区间拱顶距站场地面高差为22 m。根据火车站站房竣工资料，火车站站―沙冲路站区间隧道与站场平面位置关系如图1 所示。

图1 火车站站―沙冲路站区间隧道与站场平面位置关系

拟建区间隧道处于贵阳溶蚀盆地北侧，此次工程建设区域在城市的中心区域，场地周围布满建筑物以及相应的构筑物，施工较难进行。据相关资料知：ZDK26+143.2―ZDK26+300 段覆盖层为块石层与红粘土层，下伏基岩为松子坎二段白云岩。本区间隧道勘察期间未见大面积地表积水。综上所述，工程区域水文地质条件复杂，场地地下水和土对混凝土及混凝土中钢筋具有微腐蚀性。因为地段位置不同底层区域的差异，会导致不同的赋水性，尤其在岩溶地区更为突出，这种地段区域分布更加不规律。为有效控制围岩变形，减小围岩松动范围，根据地质及断面，设计中火车站站―沙冲路站区间隧道下穿站房段采取的施工方法为全断面开挖，下穿站场段采用的施工方法为“一步一回头”上下台阶法。

2 工程施工数值模拟

2.1 数值模拟过程中建模及参数选择

本研究为了简化模型建立与分析计算提出了以下假设：(1) 火车站站―沙冲路站区间施工中没有地震发生；(2)对于初始地应力分析，忽略地下水的作用，只计算现有建筑物以及岩体的自重应力；(3)假定火车站站―沙冲路站区间支护结构和站房桩基基础为线弹性材料；(4)考虑施工过程中空间位移的变化，不考虑时间效应；(5)为简化计算假设为理想塑性围岩。

2.1.1 模型建立

模型计算采用有限差分计算软件FLAC3D，建立三维实体模型。因为本工程基本在一个半无限的地层中，所以基本不考虑边界效应的作用，评估中所采用的模型尺寸为：长(x向)×宽(y向)×高(z向)=100 m×180 m×50 m，整体模型如图 2所示，站房桩基基础与区间隧道相对位置关系如图 3所示。

图2 数值模拟整体模型/m

图3 站房桩基基础与区间隧道相对位置关系

用一个三维六面体的体单元来模拟分析此次工程中的岩土体，在此次隧道工程的模拟过程中，共有214809个节点、227091个单元。

2.1.2 岩土体本构关系

此次模拟计算中的模型使用莫尔-库仑准则(图4)，该准则对于分析对象的屈服同时考虑了剪应力以及法向正应力[14]，在这种准则下进行计算，得出的屈服表达式为：

图4 莫尔-库仑屈服准则

τn=-σntanφ+c

(1)

式中：τn为破坏面上的剪应力；σn为破坏面上的法向正应力；φ，c分别为材料的内摩擦角和粘聚力。

由三角函数计算可知：

(2)

令φ=0，则有：

σ1-σ3=2c

(3)

将式(3)写成屈服函数的形式，则为：

f=0.5(σ1-σ3)+0.5(σ1+σ3)sinφ-ccosφ

(4)

2.1.3 计算参数的选取

在整体计算模型中，使用位移边界条件，此次模型中，采用竖向约束来表达其底面，采用法向约束来表达其周围一圈的区域。在此次模型计算中，岩土层计算参数的选取结果如表1所示。

表1 岩土层计算参数

2.2 下穿段地应力与区间开挖支护模拟

2.2.1 原始地应力模拟

依据贵阳轨道交通 1 号线火车站站―沙冲路站地质纵断面图中地层岩性分布，在土层参数计算基础上进行后续计算，得出岩土自重应力场，最终结果如图5所示。

图5 原始地应力竖向应力云图

2.2.2 考虑站场列车荷载后地应力模拟

列车荷载是列车对路基作用的一种描述，考虑到列车荷载作用的长期效果，本研究忽略列车荷载的周期性变化，并基于列车荷载的特点及铁路路基设计规范，采用“中—活载”的 计算方法将其简化为恒定的静载，并换算成具有一定高度和分布宽度的土柱[15]。在数值模拟时，将该等效土柱换算成等效应力作用在路堤表面。不变的静载，换算成具有一定高度和分布宽度的土柱。在数值模拟时，将该等效土柱换算成等效应力作用在路堤表面。站场列车荷载后地应力竖向应力云图如图6所示。

图6 考虑站场列车荷载后地应力竖向应力云图

2.2.3 考虑站房荷载后地应力模拟

为了更加真实地模拟区间隧道施工前的地应力情况，本研究除了充分考虑岩土体在自重情况下的应力场、站场股道上的列车荷载，还考虑了作用在站房桩基上的荷载。鉴于无法准确测试出作用在站房桩基上的应力，若忽略贵阳火车站售票厅与行包房上部结构的荷载，将低估下穿区间隧道开挖所引起的桩基变形，从而降低桩基的安全性。因此，从安全角度考虑，对于未列出相应桩基数据的基础，计算时按照同类桩基同等对待的原则进行处理。待桩基顶面施加对应荷载且地应力稳定后，提取出此时地应力竖向应力云图，如图7所示。

图7 考虑站房荷载后地应力竖向应力云图

2.2.4 暗挖区间开挖与支护模拟

模拟贵阳市轨道交通 1号线第七工作段火车站站―沙冲路站暗挖区间下穿火车站站房及站场段区间隧道开挖与支护，采用上台阶(全断面)每一榀钢架进行一个循环，然后利用空模型进行模拟开挖这一步骤，开挖之后开始进行支护，在模拟支护中采用实体单元进行，这两个步骤间相隔的时间利用时步在模型中进行模拟。从 465个开挖循环中提取出12个典型工况来研究贵阳市轨道交通1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间的施工对火车站站场铁路的影响。暗挖施工区间与沪昆铁路交叉点示意图如图8所示。

图8 暗挖区间与沪昆铁路交叉点示意

2.3 暗挖区间下穿站场段施工影响分析

2.3.1 交叉点处沉降随暗挖区间开挖过程的变化

随着贵阳市轨道交通 1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间的逐步开挖，贵阳火车站站场的路基沉降慢慢变大，从图9可以看出，待暗挖区间二次衬砌结构变形稳定后，最终在交叉点一处的沉降最大值是 1.90 mm；交叉点二处的沉降最大值为 1.77 mm；交叉点三处的沉降最大值为2.41 mm；交叉点四处的沉降最大值为2.38 mm，均满足贵阳市轨道交通 1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间下穿站场段既有铁路变形控制标准。

图9 交叉点处路基沉降随开挖变化情况

2.3.2 路基纵向沉降槽

为了全面地了解贵阳市轨道交通 1号线火车站站―沙冲路站隧道暗挖施工区域对已建好的地上铁路产生的各种影响，不仅要考虑各个交叉点位置的沉降情况，还要分析相应路基的纵向沉降，因此从 465个开挖循环中提取出暗挖区间左、右洞二次衬砌对于施工完毕后沪昆铁路上/下行线的纵向沉降值(沿铁路线方向)，绘出路基纵向沉降槽如图10所示。

由图10可以看出：在贵阳市此段轨道交通暗挖工程施工完成之后，附近已修好的沪昆铁路沉降的纵向分布可在图中显现，其基本是一条正态分布曲线，这和之前Peck研究分析得出的地表沉降槽变化规律是一致的。沉降影响范围约为-50～50 m，沪昆铁路上行线沉降最大值发生在暗挖区间左右洞中线处，为2.87 mm；沪昆铁路下行线沉降最大值也发生在暗挖区间左右洞中线处，为2.39 mm；均满足贵阳市此段隧道暗挖区域下穿既有铁路的变形控制标准。

图10 暗挖区间施工完毕后沪昆铁路上/下行线纵向沉降槽

3 施工安全控制措施及实施效果

3.1 施工安全控制措施

众所周知，地下近接施工过程会引起邻近围岩或土体的应力重分布，进而引起地层变形，而铁路轨道及桩基基础对于变形非常敏感，因此地表沉降及桩基变形往往是下穿段施工关注的重点。虽然计算分析满足安全要求，但针对本项目的实际情况，采取了如下措施：

(1)开展既有结构状况调查。在工程施工前，应进行结构调查，收集贵阳火车站售票厅及行包房的设计及工程相关资料，确定关键构件及结构，并统计结构病害，如结构开裂、漏水等，做好记录。施工过程中重点观察关键和已有病害结构，在变形过大时，停止施工并实施管控措施保证结构安全方可继续施工。

(2)加强现场监控量测，严禁爆破开挖。研究结果表明，此段下穿暗挖工程会对既有桩基和铁路产生一定程度的影响，为保证铁路运营及桩基结构安全，在隧道与沪昆铁路交叉点前后(沿铁路方向)各40 m范围，加强既有铁路及周围地表沉降的监控量测；在建筑的四角、大转角及沿外墙每10～15 m处或桩基上布置监控量测点，加强既有建筑物沉降及倾斜的观测，并建立监测数据异常时的应急方案和工程措施。此外，除了在下穿段采用机械开挖方式外，在邻近下穿段且火车通过时严禁爆破开挖。

(3)注浆加固。鉴于数值模拟中的岩土体与实际围岩可能存在离散性，应加强洞内超前支护的质量，施工前可以通过洞内预注浆来加固填充破碎岩体的裂隙，提高加固区围岩的自承载力，进而减小洞内变形；施工时发现现场实测洞内变形较大时，应及时对站房桩基进行注浆加固，使其与周围围岩密贴，减少应力集中及桩基变形。

(4)加强管理及联系。贵阳市轨道交通1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间下穿贵阳火车站站房及站场段施工时，施工单位应加强内部管理，在施工前后保持与铁路管护部门的联系，共同协商进行隧道超前支护、施工管控和应急处理工作，遵从铁路有关规定，以确保施工。

3.2 实施效果

(1)地表或路基沉降

随着贵阳市轨道交通 1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间的逐步开挖，贵阳火车站站场的地表沉降逐渐增大，待二次衬砌结构变形稳定后，交叉点一～四处的沉降最大值依次分别为1.61，1.90，2.27，2.34 mm。同时贵阳市轨道交通 1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间的开挖所引起的沪昆铁路上/下行路基纵向沉降槽中最大沉降值为2.74 mm，满足贵阳市轨道交通 1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间下穿贵阳车站站场段既有铁路变形控制标准。

(2)桩基竖向沉降

相对来说，桩基和附近土体在通常情况下都有较大的轴向刚度，所以桩基的竖向变形在各个位置都不明显，桩基最大竖向沉降发生在D-22号桩基，为4.89 mm；相邻桩基间的最大差异沉降发生在D-22与D-24之间(两者中心间距为14.55 m)，为4.316 mm；满足贵阳市轨道交通1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间下穿贵阳火车站站房段既有桩基变形控制标准。

(3)暗挖区间修建安全性

贵阳市轨道交通1号线火车站站―沙冲路站暗挖区间施工完毕之后，暗挖区间左洞二次衬砌结构安全系数最小值出现在拱顶处，其值为5.74，满足TB 10003—2018《铁路隧道设计规范》抗裂安全系数2.4的要求；暗挖区间右洞二次衬砌结构安全系数最小值也出现在拱顶处，其值为6.21，也高于TB 10003—2018《铁路隧道设计规范》抗裂要求的2.4。

5 结 论

(1)采用FLAC3D有限差分软件，综合考虑岩土的自重应力、站场列车荷载和站房荷载，对贵阳轨道交通1号线火车站站―沙冲路站段暗挖区间下穿贵阳火车站站房及站场施工进行安全性影响评估，发现盾构下穿近接施工时与铁路交叉点的最大沉降为2.41 mm，路基最大沉降为2.87 mm，符合施工变形控制标准。

(2)由于地下近接施工过程会引起邻近围岩或土体的应力重分布，而铁路轨道和桩基对于变形非常敏感，为确保变形可控，基于数值模拟结果，针对本项目的实际情况，采取如下安全控制措施：开展既有结构状况调查；加强现场监控量测；严禁爆破开挖；注浆加固；加强管理及联系。

(3)工程实施后，下穿近接的沪昆铁路最大沉降值为2.74 mm，桩基最大竖向沉降为 4.89 mm，相邻桩基间的最大差异沉为4.316 mm，与模拟结果接近且均符合相关变形控制标准；暗挖区间左洞、右洞二次衬砌结构安全系数最小值均出现在拱顶处，其值为 5.74，6.21，符合相关规范要求，可为类似工程项目提供借鉴。