鄭州地鐵盾構隧道下穿加油站的沉降分析

康永勝

(鄭州市軌道交通有限公司，河南鄭州 450046)

0 引言

盡管盾構法的機械化程度高、地層適應能力強，且已被廣泛應用于地鐵建設中，但盾構施工會引起上覆土層變形，因此，盾構近距離穿越既有隧道、管線、鐵路、建筑物和橋墩基礎等引起的不利影響已成為當前的研究熱點之一［1］。

國內外許多學者對盾構施工穿越問題展開了大量研究:Peck［2］于1969年首次提出地層損失的概念，并建議用Gauss分布函數(即Peck公式)描述盾構施工引起的地表沉降;李東海等［3］研究了盾構隧道斜交下穿既有地鐵車站引起的沉降影響;彭坤等［4］研究了軟土地區盾構隧道開挖對承臺樁基工作性狀的影響，分析了2種不同的加固方法對地表和樁身變形的控制;王建秀等［5］研究了超大直徑盾構下穿保護建筑群地面沉降規律;孫長軍等［6］以北京地鐵十四號線的大直徑土壓平衡盾構穿越建筑物施工為例，利用數值模擬對建筑物沉降進行了預測，并與工程監測數據進行了對比分析;李旺旺等［7］以北京昌平線二期工程盾構側穿橋梁為例，采集橋樁和地表沉降變化數據，結合盾構推進土壓和注漿量，分析了橋樁及橋梁周邊地表在不同階段的沉降變形情況。

目前許多文獻對地鐵盾構下穿既有建(構)筑物進行了數值模擬和監測分析，但未見關于下穿加油站的研究報道。鄭州地鐵1號線的03區間標段盾構施工需下穿1個加油站，儲油罐距離盾構隧道很近，屬Ⅰ級風險源，本文提出針對性的盾構掘進控制措施，利用ANSYS軟件對盾構掘進過程引起的地表和儲油罐沉降進行了計算，并結合現場監測數據證明了該控制措施的可行性。

1 工程概況

1.1 周邊環境

鄭州地鐵1號線03區間的左線長度為1 426單線延米，右線長度為1 448單線延米，左線短鏈為22 m，該區間下穿1個加油站，加油站儲油罐距離盾構始發井45 m，平面位置如圖1所示。

圖1 地鐵線路與加油站的平面示意圖Fig.1 Plan sketch showing relationship between Metro line and oil station

1.2 儲油罐參數

加油站共平行布置3個埋地儲油罐，中心間距為5.0 m，尺寸相同，容積均為50 m3，其形狀可簡化為兩端為半球體、中間為圓柱體的軸對稱結構，罐體總長為9.25 m，內徑為 1.4 m，筒體壁厚為 8.0 mm，封頭壁厚為10.0 mm，儲油罐中心距離地表4.0 m(儲油罐與地表凈距為2.52 m)，儲油罐的縱向剖面如圖2所示。

圖2 儲油罐縱剖面圖(單位:m)Fig.2 Longitudinal profile of oil tank(m)

1.3 盾構施工條件

區間盾構隧道襯砌管片環由鋼筋混凝土制成，混凝土材料為C50，管片環外直徑為6.0 m，內直徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m，幅寬為1.5 m。管片結構由1個封頂塊、2個鄰接塊和3個標準塊構筑成襯砌環，2個盾構隧道中心間距為13.9 m，凈距為7.9 m，盾構隧道中心埋深均為15.5 m，儲油罐的軸線與盾構的軸線垂直，3個儲油罐與左線盾構隧道的豎向凈距為7.0 m，水平凈距為2.7 m，盾構隧道與儲油罐的橫截面如圖3所示。

圖3 盾構隧道與儲油罐的橫截面圖(單位:m)Fig.3 Profile showing relationship between shield-bored tunnel and oil tank(m)

1.4 盾構下穿施工風險等級

該加油站的儲油罐總容積V為150 m3(120＜V＜180)，根據GB 50156—2012《汽車加油加氣站設計與施工規范》［8］判定該加油站屬于一級加油站。由于儲油罐與盾構隧道距離很近，根據GB 50652—2011《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》［9］，盾構施工下穿該加油站的風險等級判定為Ⅰ級，因此，必須采取風險控制措施降低盾構施工風險。

2 盾構掘進過程控制措施

土體開挖臨空面，在土壓力的作用下，土體側向盾構內移動，引起地層損失從而誘發盾構隧道上方的地面沉降;因此，為控制地面沉降，采用的盾構掘進控制參數和措施如下。

1)為減小2個盾構施工的疊加影響，先進行左線盾構掘進施工，再進行右線盾構掘進施工，兩者的距離間距由原設計的50環調整為100環，距離間距為150 m，時間間隔約12 d，能夠保證左線土體的注漿加固效果，進而可以有效減小2個盾構之間的干擾和影響。

2)土艙壓力設定為靜止土壓力的1.05～1.10倍，盾構的千斤頂總推力控制在7 000～11 000 kN，刀盤馬達扭矩控制在總扭矩的25% ～35%，掘進速度控制在 20 ～35 mm/min，刀盤轉速控制在 1.0 ～1.5 r/min，日掘進量適當減小，由原設計的10環調整為8環，保證盾構平穩通過加油站。

3)同步注漿壓力控制值在0.2～0.3 MPa，同步注漿量可控制在盾尾間隙的150% ～200%，同步注漿時要求在壓入口的壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補而不是劈裂。

4)二次注漿必須及時進行，范圍控制在距離盾尾3環以后的管片，采用水泥－水玻璃雙液漿，水泥漿水灰質量比為0.8 ～0.9，水玻璃與水質量比按 1∶1.5進行稀釋，注入時漿液與水玻璃體積比為水泥漿∶水玻璃=4∶1，二次注漿的水泥漿注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa，水玻璃雙液漿注漿壓力控制在0.3 ～0.6 MPa，確保管片背后填充密實。

若采取上述盾構掘進控制措施后，沉降仍接近報警值，則采取地表補償注漿措施:1)地表沉降報警，根據現場監測數據，確定補償性注漿的加固范圍(地表沉降區域向外各延伸3.0 m)，注漿孔徑為76 mm，間距為1.0 m，深度為4.0 m;2)油庫沉降報警，則沿儲油罐四周注漿，注漿孔徑為76 mm，間距為0.5 m，深度為6.0 m。待土體達到加固效果，以及監測數據穩定后，方可繼續掘進施工。

3 盾構掘進數值模擬

3.1 材料參數和有限元模型

采用通用有限元軟件ANSYS進行數值模擬，模型尺寸取值如下:1)高度，由地表向下取至隧道底以下3D(D為盾構的直徑)，即 12.5+6+3×6=36.5 m;2)寬度，取至盾構兩外側 6D，即 7.9+14×6=91.9 m;3)長度取10D，即10×6=60.0 m。3個儲油罐的中心間距為5.0 m，尺寸如圖2所示。

盾構施工影響范圍內地層土體主要為粉質黏土，主要物理力學參數見表1。

表1 土層的主要物理力學參數Table 1 Main physical and mechanical parameters of soil strata

儲油罐的材料為Q235，盾構管片材料為C50，主要物理力學參數見表2。

表2 儲油罐和管片的主要物理力學參數Table 2 Main physical and mechanical parameters of oil tank and segments

3.2 盾構下穿引起的沉降分析

有限元模型的四周邊界采用法向約束，底邊界采用固定約束，上邊界自由，盾構內邊界自由，施加重力加速度。

對3個儲油罐按距離始發井由近及遠標記為1#、2#、3#。取 6 個工況:工況 1，1#空、2#空、3#空;工況 2，1#滿、2#空、3#空;工況 3，1#空、2#滿、3#空;工況 4，1#滿、2#滿、3#空;工況 5，1#滿、2#空、3#滿;工況 6，1#滿、2#滿、3#滿。

通過有限元計算，得到了地面最大沉降(盾構開挖之后與開挖之前的沉降之差)，典型的沉降云圖(中間位置，即長度方向30.0 m處)如圖4所示，并給出了工況1和工況6的地表沉降曲線，如圖5所示。

圖4 盾構施工引起的沉降云圖Fig.4 Contour of settlement induced by shield tunneling

圖5 地表沉降槽曲線Fig.5 Curves of ground surface settlement trough

比較圖4和圖5可以發現:1)左線盾構掘進完成時，地表沉降槽曲線基本呈左右對稱的V形，工況1和工況 6的最大地表沉降值為 －7.57 mm和－8.96 mm，左、右線盾構掘進全部完成時，地表沉降槽曲線則呈左右對稱的W形，工況1和工況6的最大地表沉降值為－8.91 mm和－10.54 mm，后者的最大沉降值略大于前者，說明雙線盾構施工存在著相互影響;2)儲油罐內的存油與否對地表沉降具有一定的影響，滿罐和空罐時儲油罐上方的地表沉降相差(工況6與工況1之差)分別為－1.22 mm(左線盾構完成)和－1.28 mm(左右線盾構全完成)，說明儲油罐儲滿油時，對地表沉降有一定的影響，但影響很小，因此，盾構掘進施工時，加油站可以正常營業，但應加強監測、并制訂應急預案;3)地表的最大沉降發生在2個盾構隧道的正上方，而隧道兩側4D之外區域的沉降為零，即地鐵盾構的影響區域主要集中在盾構隧道中心線的4D范圍之內。

表3給出了計算得到的6個工況的地面和儲油罐的最大沉降。

表3 計算得到的最大沉降Table 3 Maximum settlement calculated

表3的計算結果表明，對于最不利情況(3個儲油罐全部儲滿汽油，且左、右線盾構全部施工完成)，盾構施工引起的地表最大沉降為－10.54 mm，儲油罐的最大沉降為－7.88 mm、最大傾斜率為0.62‰。該加油站為Ⅰ級風險源，加油站負責人員、建設單位和安全評估專家根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》［10］確定該加油站地面累計沉降控制值為－15.0 mm、最大傾斜率控制值為1.0‰，報警值為最大累計沉降 －12.0 mm，沉降速率 －2.0 mm/d，表3給出的計算結果均沒有達到報警值，因此，采取盾構掘進控制措施后，盾構施工可以安全地穿越該加油站。

4 監測數據分析

盾構左線于2015年3月1—8日穿越加油站區域(加油中心前后各30 m)，穿越儲油罐的時間為2015年3月4日，右線于2015年3月25日—4月1日穿越加油站區域，穿越儲油罐的時間為2015年3月29日。穿越儲油罐的控制參數見表4。

表4 穿越儲油罐的盾構掘進參數Table 4 Parameters of shield boring when passing underneath the oil tank

盾構二次注漿的配合比為:1)水泥漿。膨潤土∶粉煤灰∶砂∶水∶水泥質量比為1∶4∶6.8∶4.3∶4.3;2)水玻璃雙液漿。水泥漿水灰質量比為1∶0.5，水泥漿和水玻璃質量比為1∶1。穿越過程中，左線和右線每5環的注漿量均為2.2 m3。

加油站監測點于2015年2月25日布設完成，監測點布置如圖6所示，監測點布設在加油站油庫基礎(JCG－1—JCG－4)、加油站辦公用房(JCG－5—JCG－8)、加油站雨棚立柱(JCG－9—JCG－12)和加油站區域地表(DB15－1—DB45－11)。

圖6 監測點布置圖Fig.6 Layout of monitoring points

監測數據表明:盾構通過加油站后，加油站區域地表測點累計沉降最大為－10.9 mm(DB45－4)，其余大部分地表測點沉降量均在－10.0 mm以內;雨棚測點最大累計沉降為 －6.8 mm(西北角立柱測點JCG－12)，油庫基礎測點最大累計沉降為 －5.5 mm(西南角測點JCG－3)，加油站辦公用房最大累計沉降為－2.9 mm(西南角測點JCG－7)。監測數據均較小，未達到報警值。后續觀測數據顯示，自2015年4月1日起，各項監測數據均趨于穩定。

選取靠近左線盾構的6個地表測點(DB45－1—DB45－6)和3個建(構)筑物測點(雨棚、油庫基礎、辦公用房)的最大累計沉降，繪出了沉降時程曲線，分別如圖7和圖8所示。

圖7 地表測點沉降時程曲線Fig.7 Time-dependent curves of ground surface settlement

圖8 建(構)筑物測點沉降時程曲線Fig.8 Time-dependent curves of building(structure)settlement

圖7 和圖8表明，左、右線穿越加油站后，地表和建(構)筑物的沉降都趨于穩定，地表最大累計沉降為 －10.9 mm(與計算值 －10.54 mm 基本接近，誤差為3.4%，驗證了本文數值模擬的可靠性)、最大沉降速率為 －1.6 mm/d，建(構)筑物的最大累計沉降為 －6.8 mm、最大沉降速率為 －1.1 mm/d，兩者均滿足監測要求，說明盾構施工已經安全下穿加油站，本文提出的盾構掘進措施是可行的。

5 結論與建議

1)加油站共平行設置3個埋地儲油罐，總容積為150 m3，屬一級加油站，儲油罐與左線隧道的豎向凈距為7.0 m，水平凈距為2.7 m，盾構掘進施工下穿加油站屬Ⅰ級風險源。為保證盾構施工的安全，提出了針對性的盾構掘進控制措施。

2)采用ANSYS通用軟件建立了三維有限元模型，計算了儲油罐存滿油和空罐等工況下地表和儲油罐的沉降值，結果表明，地表最大沉降為－10.54 mm，滿足設計要求，在盾構掘進過程中，加油站可以正常營業;但應加強監測，并制訂應急預案。

3)盾構掘進過程中的地表和建(構)筑物的監測結果表明，地表最大累計沉降為－10.9 mm、最大沉降速率為 －1.6 mm/d，建(構)筑物的最大累計沉降為 －6.8 mm、最大沉降速率為 －1.1 mm/d，均未達到監測報警值，說明本文提出的盾構掘進措施是可行的。

4)鄭州地鐵正在建設，共規劃17條線，民用建筑、高鐵、鐵路等建(構)筑物廣泛分布于地鐵規劃線的上方;因此，在地鐵盾構穿越過程中必須提出針對性的控制措施，本文的研究成果可為類似工程提供參考依據。

［1］ 劉建航，候學淵.盾構法隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1991. (LIU Jianhang，HOU Xueyuan. Shield Tunnelling［M］.Beijing:China Railway Publishing House，1991.(in Chinese))

［2］ Peck R B.Deep excavations and tunnelling in soft ground［C］//Proceedings of the 7th International Conference on SMFE.Mexico City:［s.n.］，1969:225 －290.

［3］ 李東海，劉軍，蕭巖，等.盾構隧道斜角下穿地鐵車站的影響與監測研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(增刊1):3186－ 3192.(LI Donghai，LIU Jun，XIAO Yan，et al.Research on influence and monitoring of shield tunnel obliquely crossing beneath existing subway station［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S1):3186－3192.(in Chinese))

［4］ 彭坤，陶連金，高玉春，等.盾構隧道下穿橋梁引起樁基變位的數值分析［J］.地下空間與工程學報，2012，8(3):485 － 489.(PENG Kun，TAO Lianjin，GAO Yuchun，et al.Numerical analysis of bridge pile deformation caused by shield tunnel construction underneath ［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012，8(3):485－489.(in Chinese))

［5］ 王建秀，鄒寶平，付慧仙，等.超大直徑盾構下穿保護建筑群地面沉降預測［J］.現代隧道技術，2013，50(5):98－104.(WANG Jianxiu，ZOU Baoping，FU Huixian，et al.Prediction of ground settlement induced by an extra-large diameter shield passing under sensitive buildings［J］.Modern Tunnelling Technology，2013，50(5):98－104.(in Chinese))

［6］ 孫長軍，張頂立，郭玉海，等.大直徑土壓平衡盾構施工穿越建筑物沉降預測及控制技術研究［J］.現代隧道技術，2015，52(1):136－142.(SUN Changjun，ZHANG Dingli，GUOYuhai，et al.Prediction and control techniques for building settlement induced by large-diameter EPB shield tunnelling［J］.Modern Tunnelling Technology，2015，52(1):136－142.(in Chinese))

［7］ 李旺旺，韋宏鵠.北京昌平線二期地鐵盾構側穿橋梁沉降監測分析［J］.隧道建設，2015，35(2):139－143.(LI Wangwang，WEI Honghu.Analysis on settlement of bridge caused by side crossing of shield:Case study on shield tunneling of phase 2 of Changping Line of Beijing Metro［J］.Tunnel Construction，2015，35(2):139 －143.(in Chinese))

［8］ GB 50156—2012汽車加油加氣站設計與施工規范［S］.北京:中國計劃出版社，2012.(GB 50156—2012 Code for design and construction of filling station［S］.Beijing:China Planning Press，2012.(in Chinese))

［9］ GB 50652—2011城市軌道交通地下工程建設風險管理規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.(GB 50652—2011 Code for risk management of underground works in urban rail transit［S］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，2011.(in Chinese))

［10］ GB 50911—2013城市軌道交通工程監測技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2014.(GB 50911—2013 Code for monitoring measurement of urban rail transit engineering［S］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2014.(in Chinese))