盾构隧道超近距下穿对既有线车站影响

张璐荣,杜明芳,赵 洁,田栋梁,裴增增

(河南工业大学 土木工程学院,河南 郑州 450001)

1 工程概况

1.1 工程设计概况

盾构机从苗圃站东端头盾构井吊入,掘进该区间,掘进至2号线二里岗站西侧风井处,出洞后空推过风井,自风井东端头再次始发后下穿既有2号线二里岗站后到达6号线车站,自6号线车站西端头盾构井吊出解体;风井—二里岗站区间左线长度为61.265 m,右线长度为59.529 m,风井与二里岗站区间隧道线间距10.22～10.87 m;风井—二里岗站区间隧道平面设计:区间线路为直线段,线间距10.22～10.87 m;拱顶覆土厚度18.17～18.4 m。

该工程区间里程在YDK29+475.376(ZDK29+477.113)～YDK29+494.176(ZDK29+495.013)处下穿二里岗站既有车站;在YDK29+461.261(ZDK29+462.861)～YDK29+497.261(ZDK29+498.861)采用增设注浆孔管片;为确保下穿二里岗车站的安全、顺利接收,在接收端头加固采用信息化技术注浆(充填注浆)+长套筒的施工方法进行安全接收;衬砌圆环内径5 500 mm、外径6 200 mm,管片厚度为350 mm,宽度为1 500 mm,楔形量为40 mm,采用钢筋混凝土结构。

1.2 工程地质条件

隧道范围内地层的组成自上而下为1-1杂填土、3-32黏质粉土、3-41粉砂、3-33黏质粉土、3-22粉质粘土、3-22F钙质胶结。区间左右线主要穿越断面地层为:3-33黏质粉土层、3-22F钙质胶结层,其中区间拱顶上1.5 m至隧道底上1 m范围内为粉质黏土,隧道底部为钙质胶结层,隧道埋深18.4 m,水位为地下15.8 m。

1.3 区间过风井概况

二里岗站隧道风机房6-1号风亭设计起点里程为Y(Z)DK29+424.761,设计终点里程为Y(Z)DK29+438.261,隧道风机房结构外包长度为15.3 m。隧道风机房及1号风亭标准段宽度为15.3 m,总长为48.5 m,其中隧道风机房基坑深26.36～28.61 m,1号风亭基坑深17.85～19.65 m;站址处地面标高为102.3～102.69 m,顶板覆土厚度为2.75～3.54 m。

1.4 区间与2号线二里岗站位置关系

新建盾构隧道与2号线二里岗站呈84°下穿,左线盾构机自风井始发后掘进约38 m即开始下穿2号线二里岗站,右线盾构机自风井始发后掘进约36 m即开始下穿2号线二里岗站;左线全长61.265 m,右线全长59.529 m;盾构掘进方向刀盘右侧抵至围护桩时,刀盘左侧距围护桩约68 cm;区间在里程YDK29+461.261～YDK29+497.261(ZDK29+462.861～ZDK29+498.861)处下穿2号线二里岗站,盾构机顶部与车站底板下翻梁最近距离为1 030 mm,属于超近距盾构施工;盾构机与车站底板距离约为2 130 mm。

2 数值计算分析

2.1 模型构建

应用PLAXIS 3D有限元分析软件进行数值模拟,盾构法施工扰动范围在隧道轴线3倍洞径范围以内[16],所以,模型在x轴、y轴、z轴向的尺寸分别为200、300、50 m,本次模拟中假设围岩材料为均质、各向同性的连续介质,且在初始应力场模拟时不考虑构造应力,仅考虑自重盈利的影响。掘进参数如表1所示。

表1 掘进参数

2.2 计算结果

由于新建盾构隧道主要对土体及既有线产生竖向位移,这里仅研究其竖向变形。右线施工土体变形云图如图1所示,2号线车站的竖向变形云图如图2所示。

图1 右线施工土体变形云图

图2 2号线车站竖向变形云图

当左线与右线施工完成时,土体的变形云图为如图3所示,2号线车站的竖向变形云图如图4所示。

图3 土体位移云图

图4 2号线车站位移云图

综上可知:盾构右线施工引起的土体最大变形为4.74 mm,右线施工导致2号线车站产生的竖向变形最大值为4.75 mm。当盾构隧道左右线施工完成后,土体的最大位移为5.74 mm,2号线车站的最大竖向位移为5.72 mm。

3 监测数据分析

在盾构施工过程中,对影响范围内的地铁2号线车站隧道结构进行变形监测,以确保施工过程中既有结构的安全。按照车站区间结构影响远近布设监测点,在盾构施工下方及前后15 m范围内,按每隔5 m一个监测断面,在影响区域较远部位,按10 m布设一个监测断面。监测范围包括郑州地铁2号线二里岗站上下行区间约70 m范围,在盾构施工完成后,隧道结构监测数据趋于稳定后,停止监测。

盾构隧道左右线施工过程中,考虑到既有隧道及周围土体主要产生的是竖向变形,故对盾构隧道施工中监测点的竖向变形数据进行提取,得到监测点的竖向变形数值如图5所示。

图5 监测点数值曲线

由图5可知,当盾构右线施工完成时,2号线车站的最大竖向沉降变形值为5.89 mm,最大沉降点发生在右线上方的S1点位置;各监测点沉降变形值随着距离右线越远,变形值就逐渐减小。当盾构左右线施工完成时,2号线车站的最大竖向沉降变形值为7.34 mm,各监测点变形值随着与盾构左右线施工距离的增大,变形值逐渐减小。模型与监测数据具有较好的一致性。

4 安全措施

4.1 地面沉降保证措施

(1)地面监控量测、隧道内监控量测与盾构掘进施工密切结合,密切监测地面沉降和隆起变形量以及管片拱顶变形、净空收敛值。根据监测数据针对性的指导盾构掘进施工,当地面沉降值偏大时适当提高土仓压力、注浆量和注浆压力,隆起量偏大时可适当降低土仓水压和注浆量以及注浆压力,确保地面建筑物变形在可控范围。

(2)精细控制土仓压力,减少土仓压力波动,保证开挖面稳定;根据不同地层特点以及掘进过程中经验总结进行渣土改良,增加渣土的流动性、黏性确保掌子面压力稳定,掘进过程中适当增大土仓压力,提高渣土改良性质。

(3)细致调整盾构机掘进姿态,保持平缓推进;施工过程中,保持盾构机姿态稳定,避免掘进方向上下蹿动和左右摆动,减少纠偏。纠偏采用分次纠偏并及时回纠,每环纠偏量不大于5 mm,尽量减少对地层的扰动。

4.2 盾构掘进保证措施

(1)正确使用盾构机所装备的高度现代化的自动实时监控测量指引系统。在盾构隧洞施工之前,要严格按要求建立起一套严密的人工测量和自动测量控制系统,根据自动测量的精度和工程的精度要求决定人工控制测量和复核的内容及频率。

(2)认真做好盾构机的操作控制,按“勤纠偏、小纠偏”的原则,每环纠偏量不大于3 mm;通过严格的计算,合理选择和控制各千斤顶的行程量。

(3)合理使用超挖刀和铰接千斤顶来控制盾构机的轴线,从而实现对隧洞轴线的线形控制。

5 结 论

基于PLAXIS 3D有限元软件,以郑州市苗二区间的盾构施工下穿既有地铁车站为例,通过建立三维模型,并收集相关的监测数据,研究了盾构超近距下穿施工中,当右线施工完成后和双线施工完成对既有线的变形影响,分析了土体及2号线车站结构的变形特征。结果表明:(1)通过数值模拟结果显示:盾构右线施工引起的土体最大变形为4.74 mm,右线施工导致2号线车站产生的竖向变形最大值为4.75 mm。当盾构隧道左右线施工完成后,土体的最大位移为5.74 mm,2号线车站的最大竖向位移为5.72 mm。监测数据与数值模拟结果基本一致,且2号线车站的最大变形值均满足控制标准。(2)盾构隧道下穿施工中,随着既有2号线车站与盾构施工距离的增大,既有结构竖向位移以及周围土体的变形逐渐减小,且增加幅度逐渐减小。针对这一变形特征,提出相应的施工措施,保证盾构施工中既有线的安全。