砂卵石富水区域盾构小净距穿越单洞双线暗挖站施工技术

王远六, 易领兵, 杜明芳, 刘胜欢

(1.河南正阳建设工程集团有限公司,河南 郑州 450001; 2.中国交建轨道交通事业部,北京 100088; 3.河南工业大学 土木建筑学院,河南 郑州 450001; 4.中国建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

0 引 言

盾构区间小净距穿越暗挖结构底部施工工况较为少见。文献[1-3]采用数值计算等仿真分析方法分析了不同区域砂卵石区域中盾构穿越施工对既有运营盾构区间、对铁路站场等的影响;文献[4-5]采取有限元计算分析程序研究新建区间隧道穿越下施工对既有车站的影响;文献[6]研究了北京地区地铁盾构区间近距离穿越地铁车站施工对其的影响;文献[7-8]采取有限元分析方法总结了地铁隧道区间穿越公交节点的施工影响;文献[9-16]研究了区间隧道连续穿越住宅楼、既有区间隧道、管廊、公路等工程案例。

上述文献较多研究盾构下穿隧道、明挖车站、车场等工程,而对砂卵石富水区域小净距穿越暗挖站施工研究较少。综合考虑以上情况,本文以砂卵石富水区域盾构小净距穿越单洞双线暗挖站施工工程为背景,研究盾构区间隧道小净距穿越暗挖站施工过程中暗挖站位移变化规律、变形缝差异变形变化特征以及轨道沉降变化走势等,以期研究结果为行业类似工程提供借鉴。

1 工程概况

既有地铁站呈东西走向。车站总长177 m(中间单层单洞双线暗挖段总长60 m),包含两端3层明挖部分和中间单层暗挖段。中间暗挖段结构拱顶埋深约14 m。

新建区间下穿既有地铁站(中间暗挖段)区间采用盾构法施工。左、右线盾构区间距暗挖段结构底板垂直净距仅3 m左右,左线与东侧明挖段水平距离为1.62～2.87 m,左、右线线间距为11.20～11.70 m。

单层暗挖段内设置如下两处变形缝:接西端明挖段定义为变形缝一;接东端明挖段定义为变形缝二。左线区间与东侧变形缝水平净距为0.37～1.62 m。

土层自上而下分布依次为:4.28 m厚①杂填土层,3.70 m厚③1粉土层,11.87 m厚③粉质黏土层,5.23 m厚④粉质黏土层,1.50 m厚④1细中砂层,10.50 m厚⑤卵石层,4.00 m厚⑥1卵石层。地下水位埋深6.23 m,④1细中砂层和⑤卵石层为富水砂卵石层。盾构区间主要穿越⑤卵石层地层,暗挖站底板位于④粉质黏土层,两层土之间为1.50 m厚④1细中砂层。

洞内径向注浆(浆液为水泥-水玻璃双液浆)加固盾构区间隧道与既有地铁站结构间土体,纵向加固范围为盾构开挖面距既有结构前后各6 m范围内。平面、剖面位置如图1、图2所示。

图1 平面位置

2 仿真分析

针对砂卵石富水区域地层,采用MIDAS有限元计算程序建立模型,整体模型除顶面为自由面以外,其余四周、四面及底面均采取固定约束固定。模型的长、宽、高尺寸分别为250、170、50 m。岩土体采用莫尔-库伦模型,本文采用线弹性本构模型模拟新建盾构区间与既有地铁站,具体如图3、图4所示。

图3 地层结构模型

为研究盾构斜向超近距下穿施工过程中既有地铁站位移变化特征及既有地铁站明暗挖交界处变形缝差异沉降规律,借鉴以往工程经验及软件仿真计算理论,详细施工工况如下:

1) 工况1-1,右线区间掘进至车站前 6 m 处。

2) 工况1-2,右线区间掘进至车站后 6 m 处。

3) 工况1-3,右线区间远离车站。

4) 工况2-1,左线区间掘进至车站前 6 m 处。

5) 工况2-2,左线区间掘进至车站后 6 m 处。

6) 工况2-3,左线区间远离车站。

土体及结构物理力学参数见表1所列。

3 结果分析

3.1 车站位移

为节约篇幅,不再逐一列出每一工况计算云图,仅列出工况1-3和工况2-3计算结果,如图5、图6所示。统计其余工况最大值测点位移并绘制成曲线,如图7所示。右线盾构隧道施工后总体上地铁站两侧明挖段沉降影响较小,地铁站暗挖段变形影响较大,由下穿区域向两侧逐渐减小。沉降值最大为1.769 mm,沉降槽宽度约为31.5 m(沉降大于1.000 mm范围)。暗挖段沉降变形主要受垂直下穿段施工影响,既有车站两侧6 m范围外新建盾构区间施工既有站新增沉降小于0.150 mm,基本无影响。水平变形相对较小,最大水平变形为0.372 mm,位于车站东侧明挖段部位,各部位以靠近盾构隧道的沉降变形为主。

图5 工况1-3地铁站沉降、水平位移变形云图

图6 工况2-3地铁站沉降、水平位移变形云图

图7 地铁站最大值测点位移曲线

左线盾构隧道施工后地铁站东侧明挖段邻近处产生一定沉降,西侧明挖段基本无影响,总体上地铁站两侧明挖段沉降影响较小,地铁站暗挖段变形影响较大,由下穿区域向两侧逐渐减小。最大沉降值为2.836 mm;沉降槽宽度约为58.0 m(沉降大于1.000 mm范围)。暗挖段沉降变形主要受垂直下穿段施工影响,既有车站两侧6 m范围外新建盾构区间施工既有站新增沉降小于0.150 mm,基本无影响。水平变形相对较小,最大水平变形为0.893 mm,位于车站东侧明挖段部位,各部位以靠近盾构区间的沉降变形为主。

随右线盾构掘进远离既有地铁站,车站沉降和水平位移逐渐增大,沉降最大值达到1.769 mm,水平位移最大值达到0.372 mm,水平位移值仅为沉降值21%,地铁站变形以沉降为主。随左线盾构掘进远离既有地铁站,车站沉降和水平位移继续逐渐增大,但沉降最大值增幅较多达到2.836 mm,增幅比例为60.3%;水平位移最大值增幅达到0.893 mm,但小于1.000 mm,地铁站变形以沉降为主。

3.2 变形缝差异沉降

选择变形缝处不同位置点进行变形统计分析,统计结果见表2所列。仿真变形缝差异沉降如图8所示。由图8可知,盾构穿越施工会造成车站两处变形缝量测产生一定差异沉降。整体上变形缝一差异沉降变形较小,沉降最大值为0.150 mm,发生在底板跨中位置;变形缝二整体上差异沉降变形大于变形缝一,单发生位置和变形缝一同在底板跨中处,结构两侧差异变形为0.860 mm,不会影响地铁站结构的正常使用。

图8 仿真变形缝差异沉降曲线

3.3 轨道沉降

提取每一工况轨道竖向位移值并绘制曲线,如图9所示。

图9 仿真轨道沉降曲线

由图9可知,地铁站影响范围内双线轨道主要受盾构区间下穿影响,随右线盾构掘进远离既有地铁站,左、右线轨道沉降均逐渐增大,左线沉降最大值达到0.480 mm,右线沉降最大值达到0.530 mm;随左线盾构掘进远离既有地铁站,左、右线轨道沉降均继续逐渐增大,左线沉降最大值达到0.730 mm、增幅比例为52.1%,右线沉降最大值达到0.790 mm、增幅比例为49.1%。

4 监测分析

收集施工过程中各测点监测结果并绘制曲线,如图10所示。

图10 监测车站位移、差异沉降、轨道沉降曲线

监测结果显示:

1) 随左线盾构掘进远离既有地铁站,车站沉降和水平位移逐渐增大,沉降最大值达到1.682 mm,水平位移最大值达到0.299 mm,水平位移值仅为沉降值的17.8%,地铁站变形以沉降为主。随右线盾构掘进远离既有地铁站,车站沉降和水平位移继续逐渐增大,但沉降最大值增幅较多达到2.015 mm,增幅比例为19.8%;水平位移最大值增幅较小仅达到0.801 mm,,但小于1.000 mm,地铁站变形以沉降为主。

2) 根据计算结果,2条变形缝中,最大差异沉降位于车站主体暗挖段底板。跨中处变形缝二结构两侧的差异变形最大为0.720 mm,不会影响车站结构的正常使用。

3) 由轨道变形结构可知,地铁站影响范围内双线轨道主要受盾构区间下穿影响,随左线盾构掘进远离既有地铁站,左、右线轨道沉降均逐渐增大,左线沉降最大值达到0.390 mm,右线沉降最大值达到0.460 mm;随右线盾构掘进远离既有地铁站,左、右线轨道沉降均继续逐渐增大,左线沉降最大值达到0.590 mm,增幅比例为51.3%,右线沉降最大值达到0.690 mm,增幅比例为50.0%。

从图7～图10可以看出,监测数值与仿真计算结果变化趋势基本一致,总体而言监测数据均小于仿真计算结果,但两者数据显示最大值发生位置基本一致,佐证了模型的准确性。

5 结 论

本文对砂卵石富水区域盾构小净距穿越单洞双线暗挖站施工过程进行了数值计算分析。整理施工监测数据结果并与模拟计算趋势比对,变化规律基本一致,佐证了仿真计算的可靠性。结论如下:

1) 随右线盾构掘进远离既有地铁站,车站沉降和水平位移逐渐增大,施工监测显示:车站沉降最大值2.015 mm,位移最大值0.801 mm,均小于模拟结果,此外地铁站沉降及位移变化趋势与模拟结果基本一致。

2) 盾构穿越施工会造成车站两处变形缝量测产生一定差异沉降。施工监测数据显示:差异沉降发生最大位置为变形缝二,最大值为0.720 mm,不会影响车站结构的正常使用。

3) 随右线盾构掘进远离既有地铁站,左、右线轨道沉降均逐渐增大。监测数据显示:左线沉降最大值达到0.590 mm,右线沉降最大值达到0.690 mm,小于但接近模拟结果。