大断面平顶直墙洞桩法暗挖地铁车站零距离下穿施工对既有矩形断面隧道的影响*

赵小燕 易领兵 陈庆怀 刘胜欢 郑力铭 杨涌跃 吴程浩

(1.河南建筑职业技术学院土木工程系,450064,郑州; 2.中国交建轨道交通事业部,100088,北京;3.中国建筑第八工程局有限公司,200122,上海; 4.中铁工程设计咨询集团有限公司,100088,北京∥第一作者,讲师)

随着我国各大城市轨道交通网建设的快速发展,换乘车站及区间隧道穿越的节点也迅速增多。例如在2050年北京市区轨道交通线路规划图中,此类节点有近120处。这对地铁的设计和施工都提出了挑战。PBA(洞桩法)、盾构及CRD(交叉中隔壁法)等密贴既有站及隧道等的施工项目,以及采用平顶直墙施工、顶撑控制及多线隧道连续穿越施工等技术的项目,近些年呈现增多趋势。文献[1]研究了成都某地下通道下穿城市轨道交通车站的施工方法;文献[2]研究了某新建通道对地铁变形缝的影响;文献[3-4]以北京苹果园站工程为依托,研究了新建车站对既有站的影响;文献[5]研究了新建地下通道穿越既有站的施工工序;文献[6]研究了泥岩地区某新建地铁站下穿方案问题;文献[7]对砂卵石区域新建通道下穿既有站的力学规律进行了研究;文献[8-9]对多线(4条)隧道连续穿越既有站相关施工预防措施及对车站的影响进行了讨论。

由于双层三跨大断面平顶直墙暗挖地铁车站零距离下穿既有地铁矩形断面区间隧道(以下简称“既有隧道”)施工较为少见,相应的结构影响研究很少。故本文结合工程实例,研究平顶直墙暗挖站零距离下穿施工对既有隧道的影响,总结平顶直墙暗挖车站零距离下穿施工过程中的地面沉降及既有隧道结构变形规律;并将施工监测数据与仿真模拟结果拟合对比,以验证仿真分析的准确性。

1 工程概况

某换乘地铁站跨路口沿南北向敷设。该站为明暗挖相结合的岛式车站。新建车站长178.60 m(南端明挖段长100.00 m,中间暗挖段长18.20 m,北端明挖段长60.40 m),标准段宽21.10 m,中间暗挖段顶板覆土厚度为13.31 m,底板埋深为26.62 m。既有隧道结构尺寸为 10.15 m(宽)×7.75 m(高),顶部覆土厚度为5.56 m,隧道埋深为13.31 m。

新建车站暗挖段为大断面平顶直墙结构,零距离下穿既有隧道施工。新建车站暗挖段顶板顶与既有隧道底板底外皮净距为0.50 m,包含既有隧道底部的0.15 m厚垫层和新建车站顶板顶部的0.35 m厚初期支护。新建车站与既有隧道的关系如图1所示。

a) 平面图

2 有限元计算

2.1 计算模型

针对某平顶直墙暗挖站零距离下穿既有隧道施工项目,本文采用ABAQUS仿真模拟软件建立三维计算模型进行分析。计算模型东西向(x向)长度为180 m,南北向(z向)宽度为50 m,深度(y向)为80 m,对每个施工步进行仿真计算。计算模型采用六面体结构化网格单元,如图2所示,平顶直墙暗挖站与既有隧道相对位置关系如图3所示。土、砂、岩及加固区采用Mohr-Coulomb模型模拟,土体相关参数根据工程地质勘查报告和工程经验取值。计算模型中采用线弹性本构模型模拟新建车站站体、既有隧道结构等。材料力学性能参数见表1。

表1 材料力学性能参数

图2 计算模型

图3 平顶直墙暗挖站与既有隧道相对位置关系模型

将整个施工过程划分为8个施工步骤,土体-结构断面示意图如图4所示。

图4 土体-结构断面示意图

步骤1:1号导洞开挖与支护,1号导洞贯通后,施作洞内的灌桩柱和桩顶冠梁。步骤2:4号导洞开挖与支护,4号导洞贯通后,施作洞内的灌桩柱和桩顶冠梁。步骤3:2号导洞开挖与支护,2号导洞贯通后,施作2号导洞内的灌注桩、钢管柱、顶纵梁和部分顶板。步骤4:3号导洞开挖与支护,3号导洞贯通后,施作2号导洞内的灌注桩、钢管柱、顶纵梁和部分顶板。步骤5:开挖2、3号导洞之间Ⅰ部分土体。贯通后进行拆除2、3导洞部分初期支护,施作部分顶板。步骤6:开挖1、2号导洞之间Ⅱ部分土体和3、4号导洞之间Ⅲ部分土体,拆除其余部分初期支护后,施作剩余顶板和部分侧墙。步骤7:向下开挖,施作车站中板、中纵梁和部分侧墙。步骤8:向下开挖,施作车站底板和剩余部分结构,完成车站暗挖段施工。

2.2 地面沉降的计算

施工基本完成时(步骤8)的地面沉降云图见图5。步骤1～8的地面沉降量最大值曲线见图6。

图5 步骤8的地面沉降量云图

分析仿真结果可以看出:地面沉降量随着开挖的进行逐渐增大。但步骤1到步骤2的地面沉降增量最大,沉降量由1.05 mm增加到3.77 mm,增加约263.81%;步骤6到步骤7地面沉降增量最小,沉降量由6.25 mm增加到6.48 mm,增加仅3.68%,总体沉降量自东向西逐渐减小;在各施工步中东侧变形缝附近沉降量均最大,施工完成后地面 沉降量最大值达到7.34 mm。

2.3 既有线结构变形的计算

为便于分析既有隧道结构在不同施工步骤的变形情况,本文按变形缝位置将既有隧道结构分为3段。图7为既有隧道结构的分段及变形缝示意图。

图7 既有隧道结构分段及变形缝示意图

2.3.1 既有隧道结构的沉降

施工基本完成时(步骤8)既有隧道结构沉降云图如图8所示。步骤1～8的既有隧道结构沉降量最大值曲线如图9所示。

图8 步骤8既有隧道结构沉降云图

图9 步骤1～8的既有隧道结构沉降量最大值曲线

进一步分析沉降量的仿真结果可以看出:

1) 下穿段施工完毕后,既有隧道结构的最大沉降量为7.30 mm,发生在既有隧道b段上,而且位于变形缝1附近区域。分析同一施工步骤的云图可知,b段的沉降量相对最大,a段次之,区间c段最小。可见,各步骤沉降量最大值均在b段,且均在变形缝1附近。这主要是开挖区域位于b段正下方,而且离变形缝1最近所致。

2) b段沉降量沿着x轴正方向逐渐减小,且变化较大。由于c段远离开挖区受干扰比较小,所以c段沉降量最小,且c段不同位置的沉降量整体差别不大。a段各点沉降值差别不明显;由于a段距离开挖区域较近,因此a段表现出较大沉降。

3) 通过对不同施工步骤的既有结构沉降对比分析可以看出,随着开挖的进行,既有隧道结构的最大沉降量在逐渐增大。

2.3.2 既有隧道结构的z向变形

施工基本完成时(步骤8)的既有隧道结构z向位移云图如图10所示。步骤1～8的z向位移最大值曲线如图11所示。

图10 步骤8的既有隧道结构z向位移云图

图11 步骤1～8的既有隧道z向位移最大值曲线

分析仿真结果可以看出:平顶直墙暗挖车站下穿段施工完毕后,既有隧道结构产生的z向位移最大值仅为0.21 mm,出现在区间c段上。

由图10分析可知,c段的z向位移值上部为正值,下部为负值,有发生扭曲倾斜的趋势,但量值较小。a段及b段的z向位移较小且变化不明显。可见,下穿段施工对既有隧道结构的z向位移影响较小,既有隧道结构变形以沉降为主,z向位移可忽略不计。

3 实际施工监测结果的对比分析

基于实际施工监测结果,得到实际沉降及位移的监测数据曲线如图12所示。

a) 地面沉降

监测结果显示:

1) 地面沉降随着开挖的进行逐渐增大。沉降变化自东向西逐渐减小,而且,在各施工步中东侧变形缝处附近沉降均最大。施工完成后地面沉降最大值达到7.00 mm。

2) 下穿段施工完毕后,既有隧道结构产生的最大沉降为6.91 mm,发生在既有隧道b段上,而且位于变形缝1附近区域。统计监测数据显示,b段的沉降相对最大,a段次之,c段最小。各步骤的沉降最大值均出现在b段,并且在变形缝1附近。通过对不同施工步骤的既有结构沉降分析对比可以看出,随着开挖的进行,既有隧道结构的最大沉降在逐渐增大。

3) 下穿段施工完毕后,既有隧道结构产生的z向位移最大值仅为0.19 mm,出现在c段。a段及b段的z向位移较小且变化不明显,说明下穿段施工对既有隧道结构的z向变形影响较小。故既有隧道结构发生的变形以沉降为主,z向位移可忽略不计。

仿真计算结果和实际监测数据对比如图13所示。

a) 地面沉降量

从图13可以看出:监测数值与模拟数值结果基本一致;总体而言,监测数据均小于仿真计算结果,但两者数据显示地面沉降最大值、区间结构沉降最大值、区间结构z向位移最大值发生位置均一致,且发展趋势基本一致。这验证了仿真分析结果的准确性。

4 结论

1) 地面沉降随开挖的进行逐渐增大。步骤1到步骤2的沉降增量最大,步骤6到步骤7的沉降增量最小,总体沉降量变化自东向西逐渐减小。在各施工步骤中东侧变形缝附近沉降均最大,施工完成后的最大地面沉降量达到7.34 mm。施工监测数据显示,最大地面沉降量为7.00 mm,同样发生在东侧变形缝附近位置。

2) 下穿段施工完毕后,既有隧道结构产生的最大沉降为7.30 mm,发生在既有隧道b段,而且位于变形缝1附近区域。b段的沉降相对最大,a段次之,c段最小。施工监测数据显示,施工完毕后,既有隧道结构产生的最大沉降量为6.91 mm,同样发生在既有隧道b段上,也位于变形缝1附近区域。

3) 下穿段施工完毕后,既有隧道结构产生的z向位移最大值仅为0.21 mm,出现在c段。a段及b段的z向位移较小且变化不明显。施工监测数据显示,施工完毕后,既有隧道结构的z向位移最大值仅为0.19 mm,同样出现在区间c段。既有隧道结构变形以沉降为主,z向位移可忽略不计。