軌道交通隧道下穿火車站施工安全影響及控制

王 祥， 陳發達， 徐 文， 劉 凱， 吳賢國， 陳 彬

(1. 貴陽城市軌道交通有限公司，貴州 貴陽 550091；2. 信陽師范學院 建筑與土木工程學院，河南 信陽 464000；3. 華中科技大學 土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074)

由于隧道開挖工程的施工復雜性和環境特殊性，在施工過程中不可避免地會產生底層損失、擾動、固結沉降等一系列可導致施工區域底層發生變形的現象，進而導致上方火車站站房樁基及站場既有鐵路隨之發生移動或變形。因此，站場鐵路和站房樁基基礎變形是下穿新建工程修筑過程中需要控制的關鍵[1]。

近年來，一批學者基于具體工程實例研究隧道開挖對既有火車站站房樁基或鐵路的影響，熊巨華等[2]討論了6種因素對鄰近單樁豎向受力特性的影響規律；喬世范等[3]基于隨機介質理論推導出隧道開挖引起的地表及巖土體移動和變形的一般公式；孫慶等[4]通過離心機試驗研究了粘土中隧道開挖對樁基的瞬時和長期影響；楊永威[5]采用現場監測和數值模擬相結合的手段對盾構開挖引起的地表沉降與對臨近樁基的影響進行了研究；覃林[6]基于數值仿真分析方法探討了邊坡與隧道變形的相互作用機理，評估了在隧道開挖前邊坡的整體穩定性，評價了邊坡在隧道開挖后的變形和受力規律；朱逢斌[7]研究了地鐵隧道開挖對側向群樁工作性狀的影響，提出減小或消除地鐵隧道施工對鄰近樁基及建筑物影響的具體措施；Mahmoudi等[8]采取數值反分析方法確定隧道施工過程中土體的變形；曹志勇等[9]進行了盾構隧道穿越建筑物的建筑物變形控制與預測研究；Yang等[10]研究了雙線盾構隧道施工工藝對框架結構的影響；黎春林等[11]研究了盾構隧道施工臨近建筑物風險等級評估方法；宮志群等[12]研究了基坑及隧道群施工對鄰近建筑物的疊加影響；田曉艷等[13]提出了隧道開挖對建筑物條形基礎效應的簡化解析解。當前研究大多采用定性方法分析盾構下穿對臨近建筑的影響或提出控制措施，沒有考慮建筑及其內部荷載在施工期間的同步影響，無法提供定量的建筑沉降量進而提出有針對性的控制措施。

本文擬采用數值模擬方法，對貴陽軌道交通1號線第七工作段火車站站―沙沖路站暗挖區間下穿貴陽火車站站房及站場施工的安全性影響評估，綜合考慮巖土的自重應力、站場列車荷載和站房荷載，對開挖過程和支護進行了模擬，預測項目暗挖區間的開挖對站場鐵路及站房樁基的影響程度及可能帶來的危害，從而對施工方案提出合理性意見。

1 工程概況

火車站站―沙沖路站區間位于南明區，是雙洞單線結構，全長925.411 m，其中左隧道下穿站房(售票廳及行包房)段長 55 m，下穿站場(客運站臺及股道)段長 127.779 m，右隧道下穿站房(售票廳及行包房)段長55 m，下穿站場(客運站臺及股道)段長128.811 m。從平面上看，火車站站―沙沖路站區間隧道與火車站售票廳及行包房平面夾角約 72.5°，拱頂埋深為16 m。從縱斷面上看，區間拱頂距站場地面高差為22 m。根據火車站站房竣工資料，火車站站―沙沖路站區間隧道與站場平面位置關系如圖1 所示。

圖1 火車站站―沙沖路站區間隧道與站場平面位置關系

擬建區間隧道處于貴陽溶蝕盆地北側，此次工程建設區域在城市的中心區域，場地周圍布滿建筑物以及相應的構筑物，施工較難進行。據相關資料知：ZDK26+143.2―ZDK26+300 段覆蓋層為塊石層與紅粘土層，下伏基巖為松子坎二段白云巖。本區間隧道勘察期間未見大面積地表積水。綜上所述，工程區域水文地質條件復雜，場地地下水和土對混凝土及混凝土中鋼筋具有微腐蝕性。因為地段位置不同底層區域的差異，會導致不同的賦水性，尤其在巖溶地區更為突出，這種地段區域分布更加不規律。為有效控制圍巖變形，減小圍巖松動范圍，根據地質及斷面，設計中火車站站―沙沖路站區間隧道下穿站房段采取的施工方法為全斷面開挖，下穿站場段采用的施工方法為“一步一回頭”上下臺階法。

2 工程施工數值模擬

2.1 數值模擬過程中建模及參數選擇

本研究為了簡化模型建立與分析計算提出了以下假設：(1) 火車站站―沙沖路站區間施工中沒有地震發生；(2)對于初始地應力分析，忽略地下水的作用，只計算現有建筑物以及巖體的自重應力；(3)假定火車站站―沙沖路站區間支護結構和站房樁基基礎為線彈性材料；(4)考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時間效應；(5)為簡化計算假設為理想塑性圍巖。

2.1.1 模型建立

模型計算采用有限差分計算軟件FLAC3D，建立三維實體模型。因為本工程基本在一個半無限的地層中，所以基本不考慮邊界效應的作用，評估中所采用的模型尺寸為：長(x向)×寬(y向)×高(z向)=100 m×180 m×50 m，整體模型如圖 2所示，站房樁基基礎與區間隧道相對位置關系如圖 3所示。

圖2 數值模擬整體模型/m

圖3 站房樁基基礎與區間隧道相對位置關系

用一個三維六面體的體單元來模擬分析此次工程中的巖土體，在此次隧道工程的模擬過程中，共有214809個節點、227091個單元。

2.1.2 巖土體本構關系

此次模擬計算中的模型使用莫爾-庫侖準則(圖4)，該準則對于分析對象的屈服同時考慮了剪應力以及法向正應力[14]，在這種準則下進行計算，得出的屈服表達式為：

圖4 莫爾-庫侖屈服準則

τn=-σntanφ+c

(1)

式中：τn為破壞面上的剪應力；σn為破壞面上的法向正應力；φ，c分別為材料的內摩擦角和粘聚力。

由三角函數計算可知：

(2)

令φ=0，則有：

σ1-σ3=2c

(3)

將式(3)寫成屈服函數的形式，則為：

f=0.5(σ1-σ3)+0.5(σ1+σ3)sinφ-ccosφ

(4)

2.1.3 計算參數的選取

在整體計算模型中，使用位移邊界條件，此次模型中，采用豎向約束來表達其底面，采用法向約束來表達其周圍一圈的區域。在此次模型計算中，巖土層計算參數的選取結果如表1所示。

表1 巖土層計算參數

2.2 下穿段地應力與區間開挖支護模擬

2.2.1 原始地應力模擬

依據貴陽軌道交通 1 號線火車站站―沙沖路站地質縱斷面圖中地層巖性分布，在土層參數計算基礎上進行后續計算，得出巖土自重應力場，最終結果如圖5所示。

圖5 原始地應力豎向應力云圖

2.2.2 考慮站場列車荷載后地應力模擬

列車荷載是列車對路基作用的一種描述，考慮到列車荷載作用的長期效果，本研究忽略列車荷載的周期性變化，并基于列車荷載的特點及鐵路路基設計規范，采用“中—活載”的 計算方法將其簡化為恒定的靜載，并換算成具有一定高度和分布寬度的土柱[15]。在數值模擬時，將該等效土柱換算成等效應力作用在路堤表面。不變的靜載，換算成具有一定高度和分布寬度的土柱。在數值模擬時，將該等效土柱換算成等效應力作用在路堤表面。站場列車荷載后地應力豎向應力云圖如圖6所示。

圖6 考慮站場列車荷載后地應力豎向應力云圖

2.2.3 考慮站房荷載后地應力模擬

為了更加真實地模擬區間隧道施工前的地應力情況，本研究除了充分考慮巖土體在自重情況下的應力場、站場股道上的列車荷載，還考慮了作用在站房樁基上的荷載。鑒于無法準確測試出作用在站房樁基上的應力，若忽略貴陽火車站售票廳與行包房上部結構的荷載，將低估下穿區間隧道開挖所引起的樁基變形，從而降低樁基的安全性。因此，從安全角度考慮，對于未列出相應樁基數據的基礎，計算時按照同類樁基同等對待的原則進行處理。待樁基頂面施加對應荷載且地應力穩定后，提取出此時地應力豎向應力云圖，如圖7所示。

圖7 考慮站房荷載后地應力豎向應力云圖

2.2.4 暗挖區間開挖與支護模擬

模擬貴陽市軌道交通 1號線第七工作段火車站站―沙沖路站暗挖區間下穿火車站站房及站場段區間隧道開挖與支護，采用上臺階(全斷面)每一榀鋼架進行一個循環，然后利用空模型進行模擬開挖這一步驟，開挖之后開始進行支護，在模擬支護中采用實體單元進行，這兩個步驟間相隔的時間利用時步在模型中進行模擬。從 465個開挖循環中提取出12個典型工況來研究貴陽市軌道交通1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間的施工對火車站站場鐵路的影響。暗挖施工區間與滬昆鐵路交叉點示意圖如圖8所示。

圖8 暗挖區間與滬昆鐵路交叉點示意

2.3 暗挖區間下穿站場段施工影響分析

2.3.1 交叉點處沉降隨暗挖區間開挖過程的變化

隨著貴陽市軌道交通 1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間的逐步開挖，貴陽火車站站場的路基沉降慢慢變大，從圖9可以看出，待暗挖區間二次襯砌結構變形穩定后，最終在交叉點一處的沉降最大值是 1.90 mm；交叉點二處的沉降最大值為 1.77 mm；交叉點三處的沉降最大值為2.41 mm；交叉點四處的沉降最大值為2.38 mm，均滿足貴陽市軌道交通 1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間下穿站場段既有鐵路變形控制標準。

圖9 交叉點處路基沉降隨開挖變化情況

2.3.2 路基縱向沉降槽

為了全面地了解貴陽市軌道交通 1號線火車站站―沙沖路站隧道暗挖施工區域對已建好的地上鐵路產生的各種影響，不僅要考慮各個交叉點位置的沉降情況，還要分析相應路基的縱向沉降，因此從 465個開挖循環中提取出暗挖區間左、右洞二次襯砌對于施工完畢后滬昆鐵路上/下行線的縱向沉降值(沿鐵路線方向)，繪出路基縱向沉降槽如圖10所示。

由圖10可以看出：在貴陽市此段軌道交通暗挖工程施工完成之后，附近已修好的滬昆鐵路沉降的縱向分布可在圖中顯現，其基本是一條正態分布曲線，這和之前Peck研究分析得出的地表沉降槽變化規律是一致的。沉降影響范圍約為-50～50 m，滬昆鐵路上行線沉降最大值發生在暗挖區間左右洞中線處，為2.87 mm；滬昆鐵路下行線沉降最大值也發生在暗挖區間左右洞中線處，為2.39 mm；均滿足貴陽市此段隧道暗挖區域下穿既有鐵路的變形控制標準。

圖10 暗挖區間施工完畢后滬昆鐵路上/下行線縱向沉降槽

3 施工安全控制措施及實施效果

3.1 施工安全控制措施

眾所周知，地下近接施工過程會引起鄰近圍巖或土體的應力重分布，進而引起地層變形，而鐵路軌道及樁基基礎對于變形非常敏感，因此地表沉降及樁基變形往往是下穿段施工關注的重點。雖然計算分析滿足安全要求，但針對本項目的實際情況，采取了如下措施：

(1)開展既有結構狀況調查。在工程施工前，應進行結構調查，收集貴陽火車站售票廳及行包房的設計及工程相關資料，確定關鍵構件及結構，并統計結構病害，如結構開裂、漏水等，做好記錄。施工過程中重點觀察關鍵和已有病害結構，在變形過大時，停止施工并實施管控措施保證結構安全方可繼續施工。

(2)加強現場監控量測，嚴禁爆破開挖。研究結果表明，此段下穿暗挖工程會對既有樁基和鐵路產生一定程度的影響，為保證鐵路運營及樁基結構安全，在隧道與滬昆鐵路交叉點前后(沿鐵路方向)各40 m范圍，加強既有鐵路及周圍地表沉降的監控量測；在建筑的四角、大轉角及沿外墻每10～15 m處或樁基上布置監控量測點，加強既有建筑物沉降及傾斜的觀測，并建立監測數據異常時的應急方案和工程措施。此外，除了在下穿段采用機械開挖方式外，在鄰近下穿段且火車通過時嚴禁爆破開挖。

(3)注漿加固。鑒于數值模擬中的巖土體與實際圍巖可能存在離散性，應加強洞內超前支護的質量，施工前可以通過洞內預注漿來加固填充破碎巖體的裂隙，提高加固區圍巖的自承載力，進而減小洞內變形；施工時發現現場實測洞內變形較大時，應及時對站房樁基進行注漿加固，使其與周圍圍巖密貼，減少應力集中及樁基變形。

(4)加強管理及聯系。貴陽市軌道交通1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間下穿貴陽火車站站房及站場段施工時，施工單位應加強內部管理，在施工前后保持與鐵路管護部門的聯系，共同協商進行隧道超前支護、施工管控和應急處理工作，遵從鐵路有關規定，以確保施工。

3.2 實施效果

(1)地表或路基沉降

隨著貴陽市軌道交通 1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間的逐步開挖，貴陽火車站站場的地表沉降逐漸增大，待二次襯砌結構變形穩定后，交叉點一～四處的沉降最大值依次分別為1.61，1.90，2.27，2.34 mm。同時貴陽市軌道交通 1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間的開挖所引起的滬昆鐵路上/下行路基縱向沉降槽中最大沉降值為2.74 mm，滿足貴陽市軌道交通 1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間下穿貴陽車站站場段既有鐵路變形控制標準。

(2)樁基豎向沉降

相對來說，樁基和附近土體在通常情況下都有較大的軸向剛度，所以樁基的豎向變形在各個位置都不明顯，樁基最大豎向沉降發生在D-22號樁基，為4.89 mm；相鄰樁基間的最大差異沉降發生在D-22與D-24之間(兩者中心間距為14.55 m)，為4.316 mm；滿足貴陽市軌道交通1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間下穿貴陽火車站站房段既有樁基變形控制標準。

(3)暗挖區間修建安全性

貴陽市軌道交通1號線火車站站―沙沖路站暗挖區間施工完畢之后，暗挖區間左洞二次襯砌結構安全系數最小值出現在拱頂處，其值為5.74，滿足TB 10003—2018《鐵路隧道設計規范》抗裂安全系數2.4的要求；暗挖區間右洞二次襯砌結構安全系數最小值也出現在拱頂處，其值為6.21，也高于TB 10003—2018《鐵路隧道設計規范》抗裂要求的2.4。

5 結 論

(1)采用FLAC3D有限差分軟件，綜合考慮巖土的自重應力、站場列車荷載和站房荷載，對貴陽軌道交通1號線火車站站―沙沖路站段暗挖區間下穿貴陽火車站站房及站場施工進行安全性影響評估，發現盾構下穿近接施工時與鐵路交叉點的最大沉降為2.41 mm，路基最大沉降為2.87 mm，符合施工變形控制標準。

(2)由于地下近接施工過程會引起鄰近圍巖或土體的應力重分布，而鐵路軌道和樁基對于變形非常敏感，為確保變形可控，基于數值模擬結果，針對本項目的實際情況，采取如下安全控制措施：開展既有結構狀況調查；加強現場監控量測；嚴禁爆破開挖；注漿加固；加強管理及聯系。

(3)工程實施后，下穿近接的滬昆鐵路最大沉降值為2.74 mm，樁基最大豎向沉降為 4.89 mm，相鄰樁基間的最大差異沉為4.316 mm，與模擬結果接近且均符合相關變形控制標準；暗挖區間左洞、右洞二次襯砌結構安全系數最小值均出現在拱頂處，其值為 5.74，6.21，符合相關規范要求，可為類似工程項目提供借鑒。