盾構隧道近距離下穿在建城際車站影響分析

龍喜安

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010)

城市軌道交通建設中盾構下穿既有建構筑物的風險控制與保護是一項重大研究課題。近年來，國內已有學者對該領域進行了一系列研究。譚富圣[1]對地鐵盾構隧道下穿既有橋群樁基礎保護方案進行了研究，通過擴大板基礎托換的實施，大幅減少施工期間既有樁基沉降。郭靚[2]對淤泥質軟塑地層盾構下穿客運專線設計進行了分析，提出“盾構注漿加固+隔離樁”的加固方案，并采用橋梁 “頂升法”作為應急預案，預防盾構下穿鐵路施工中的風險。歐陽林等[3]對高壓旋噴樁聯合袖閥管注漿加固法下盾構隧道施工過程的路基沉降影響進行了分析。周劍[4]研究了盾構掘進對 U 形槽和橋梁樁基的影響并進行了數值模擬分析。吳大勇[5]等創新性地將 R/S分析法引入盾構下穿機場過程中的地表變形規律研究中，為及時調控施工參數提供了一定的依據。阮雷[6]等研究了新建盾構隧道施工對既有鐵路路基的影響并進行了數值模擬分析。已有研究多為針對區間上方建構筑物已經完工，建構筑物已采取了相應保護措施的條件下去分析盾構下穿對建構筑物的影響。佛山市城市軌道交通三號線大墩站-東平站區間隧道盾構處于始發施工階段，盾構需要近距離下穿廣佛環城際鐵路東平新城站。經溝通協調，廣佛城際東平新城站結構底板下方增加了樁基礎，并預留節點供盾構通過，待東平新城站主體結構頂板封頂后，三號線盾構再下穿通過，可大大降低安全風險。

但后期由于兩者工期沖突，三號線右線盾構下穿車站前，右線盾構上方車站中板已實施完成，且第一、二道砼支撐已經拆除(未完成頂板封頂)，左線隧道上方車站頂板已完工。因此，需要針對三號線盾構區間施工對廣佛城際既有在建車站的安全影響進行評估和分析。通過建立車站主體結構與圍護結構及區間隧道為一體的三維整體本構耦合模型，從施工步驟的實際狀態出發，分步驟進行模擬，記錄每一狀態下連續墻的變形和內力變化。

1 工程背景

廣佛城際東平新城車站位于君蘭路正下方，呈東西向布置，橫跨文化南路、華章路。車站周邊規劃以商業、行政辦公、綠化、居住用地為主。車站總長740 m，為地下2層側式站，車站標準段寬約51.72 m，基坑深約20.60 m，采用明挖順筑法施工。

佛山市城市軌道交通三號線大墩站-東平站盾構區間下穿廣佛城際東平新城站。經與廣佛城際東平新城站溝通協調，其結構底板下方增加了樁基礎，并預留節點供盾構區間通過。在穿越東平新城站兩側1 m范圍增加直徑為1.5 m的樁基礎，在盾構區間穿越連續墻9 m范圍內，連續墻鋼筋采用玻璃纖維筋。右線區間結構距離東平新城站底板最小距離為0.851 m，左線區間結構距離東平新城站底板最小距離為0.808 m，區間結構距離東平新城站樁基礎均約1 m，如圖1所示。

圖1 區間穿越東平新城站斷面關系(單位:mm)

該工程位置地質條件較為復雜，屬于深厚軟弱地層。根據詳勘報告[7]，地質縱剖面從上至下土層分別為:(1-1)素填土、(2-1)淤泥質土、(2-2)淤泥、(3-1)粉砂、(3-2)細砂、(3-3)中砂、(3-4)粗砂、(4-1)粉質黏土、(7-2)強風化巖、(8-2)中風化巖層。地下水主要有兩種基本類型，分別為松散層孔隙水和基巖裂隙水，土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

2 三維有限元分析

2.1 分析工況

采用5個施工步驟來進行模擬(即分為5個工況)，其中，第1施工步驟模擬基坑開挖前初始狀態，第2施工步驟模擬右線盾構下穿東平新城站前中板已完成的狀態，第3個施工步驟模擬右線盾構下穿東平新城站前拆除第二道支撐狀態，第4個施工步驟模擬右線盾構下穿東平新城站前拆除第一道支撐狀態，第5個施工步驟模擬右線盾構下穿車站狀態。具體工況如表2所示。

2.2 有限元模型

結構板墻主要參數如表3所示，根據結構空間立體關系及施工特點，建立的三維有限元計算模型如圖2、圖3。采用實體單元模擬地層，采用板單元模擬車站結構、連續墻、隧道管片，采用梁單元模擬內支撐等。分析采用水土分算的模式，采用摩爾-庫倫破壞準則仿真模擬地層。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部為Z方向位移約束，模型前后面為Y方向約束，模型左右面為X方向約束。

表2 分析施工步驟

圖2 初始狀態有限元模型

圖3 東平新城站與三號線左右線隧道關系有限元模型

表3 結構板墻主要參數

3 盾構下穿條件下連續墻三維模擬結果及其分析

本模型共有十多萬個單元。為節約計算時間，便于收斂，第1、2計算步驟先計算出右線隧道下穿前的初始應力狀態，并將第1計算步驟的位移清零。第3至第4計算步驟計算拆除混凝土支撐引起連續墻的位移、內力等的變化，第5步施作右線盾構下穿車站，根據該變化值來判斷右線隧道下穿對連續墻的影響。

3.1 連續墻變形

圖4～圖6為右線隧道下穿對連續墻水平位移、豎向位移和總位移云圖。

計算結果顯示，由于支撐拆除和右線隧道下穿，連續墻產生了位移，如表4所示。

圖4 右線隧道下穿連續墻水平位移云圖

圖5 右線隧道下穿連續墻豎向位移云圖

圖6 右線隧道下穿過程連續墻總位移云圖

mm

根據表4中數據可知：隨著支撐拆除和右線盾構隧道下穿，車站連續墻的水平位移、豎向位移、總位移有一定變化。連續墻變形主要來源分為兩部分，一部分是地鐵車站基坑開挖過程中所產生的變形，另一部分為盾構穿越連續墻和剩余混凝土支撐拆除產生的變形，其中地鐵車站基坑開挖過程中所產生的變形占大部分。連續墻最大水平位移，豎向位移，總位移值分別為27.83 mm、1.367 mm、27.94 mm，均小于30 mm，盾構下穿對連續墻變形影響很小。

3.2 連續墻內力

圖7、圖8為右線隧道下穿時的連續墻彎矩和剪力云圖，連續墻彎矩和剪力如表5所示。

圖7 右線隧道下穿連續墻彎矩云圖

圖8 右線隧道下穿連續墻剪力云圖

施工步驟彎矩/(kN·m)剪力/kN初始應力階段連續墻未實施連續墻未實施右線盾構下穿車站前階段1403.8467.9拆除第二道混凝土支撐1401.9443.1拆除第一道混凝土支撐1402.0442.7右線盾構下穿階段1405.4442.4

由表5可知，右線隧道下穿過程中連續墻最大彎矩值為1 405.4 kN·m，最大剪力值為467.9 kN。連續墻內力主要來源分為兩部分，一部分是地鐵車站基坑開挖過程中所產生的內力，另一部分為盾構穿越連續墻和剩余混凝土支撐拆除產生的內力變化；連續墻配筋滿足要求。

4 隧道下穿過程中實際監測結果

盾構施工過程中，應對盾構機的推進速度、頂推力、同步注漿、二次注漿進行嚴格控制，保證24 h連續、平穩作業，及時進行同步及二次補充注漿。施工中應嚴格貫徹信息化施工原則，根據監測數據的變化及時調整各項盾構掘進施工參數。盾構下穿過程中連續墻未出現裂縫，處于正常受力狀態，連續墻實際監測最大水平位移，豎向位移，總位移值分別為25.74 mm、1.421 mm、26.83 mm，小于30 mm，處于正常范圍之內。

5 結論

(1)通過建立三維有限元模型，分析盾構下穿過程中對車站圍護結構內力和變形的影響， 結果表明，盾構下穿對連續墻變形影響很小。廣佛城際東平新城站結構底板下方增加了樁基礎，預留了節點供盾構區間通過，理論計算中盾構下穿不會對廣佛城際東平新城站產生影響。

(2)現場盾構施工過程中，通過對盾構機的推進速度、頂推力、同步注漿、二次注漿進行嚴格控制，盾構下穿過程中車站圍護結構未出現裂縫，圍護結構變形處于30 mm之內，未超過規范容許值，實際監測數據與理論值接近，確保了廣佛城際東平站在建過程中盾構順利通過。