既有運營車站注漿加固及頂管下穿變形控制研究

云強

（中鐵建華南建設有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著城市間的交通樞紐日益增多，在既有運營車站下穿現象也越來越多。文獻[1]提出了數值模擬控制方法，該方法構建了一種能全面反映隧道開挖中近程和遠程條件的巖層變形預測模型。采用數值模擬分析地層變形演變規律，將盾構施工距離狀態臨界作為判據，控制車站變形程度，然而該方法對于變形控制定量標準沒有針對性研究，無法精準確定既有結構變形允許范圍。文獻[2]提出了實測耦合作用變形控制方法，該方法利用Plaxis 軟件模擬流固耦合作用下盾構施工所引起的地表沉降變化規律，將其與實際情況相比，確定耦合影響最大的主應力分布區域，以此為依據控制車站變形。由于工程周圍環境復雜，使得不同操作項目存在一定特殊性，無法對所有操作區域進行統一控制管理。為此，提出了既有運營車站注漿加固及頂管下穿變形控制研究。使用MIDAS/GTS 軟件數值模擬下穿施工過程，結合超前注漿加固技術、頂管法控制車站變形。

1 工程概況

以某市已經運營的雙軌地鐵車站為研究對象，通過對城市軌道交通系統的分析，建立了城市軌道交通系統的規劃模型，為城市軌道交通系統的建設提供了理論依據。按照城市鐵路網絡的布局，南站開通運行后，將下穿南站盾構隧道、土體、既有列車南站、樁基四大要素構成一個整體，四者交互作用，使得既有南站受到附加應力影響，出現了沉降現象。在車輛行駛時，會使樁基礎產生變形和內力的改變，從而使樁基礎與上部結構產生相互作用[3]。為此，南站在初期規劃階段，既要為5號線區段中的盾構隧道預留后續建設空間，又要針對后續建設對車站地基造成的不良沖擊進行合理的處理，進而提出相應的防治對策。

2 既有運營車站注漿加固及頂管下穿變形控制

2.1 盾構區間下穿施工數值模擬

本次模型的上界為地面，縱向長度為65 m，與新建的隧道250 m 平行。當上界處于自由狀態時，其它5個面的法方向變形均受限。在數值模擬時，針對不同的材料采用了相應的本構關系[4]。對于不同層次的土壤，采用了摩爾-庫侖與線性彈性相結合的方法來解決。用二維板元來模擬混凝土和盾構管片，用等效板元來模擬灌漿為了更真實地反映出在隧道內的荷載、位移以及在隧道內的動力特性。

模擬施工過程可分成4 個階段：首先要根據基礎的重力場及邊坡的情況來調整基礎的位移[5-6]。之后在平臺上，挖掘出平臺的地基，構建出平臺的主要結構，并將其整體移走[7]。從西向東的盾構洞施工，按照每次進尺，先在左邊進行第一次基坑施工，并及時支護。再在右線進行了基礎工程的建設，計算出了在建設期間需要增加的襯砌面積，直到完工為止。

2.2 基于三維荷載結構法的車站受力狀態分析

在實際應用中，由于基礎不均衡的差異，會給已建建筑帶來額外的內力，從而對其承載能力和耐久性造成不利的影響[8]。針對這一問題，本項目擬建立一套在地基位移作用下的控制性準則解析法，利用地基位移的改變來推斷框架的應力狀況，從而判定框架的力學性質及耐久性，并反演框架的容許變形。充分考慮車站結構三向應力情況，在站臺底部的縱截面上，底部的縱截面上應力會小于理論上計算結果[9]。通過對三維荷載結構進行有限元數值模擬，得到了該工程中地基變形的容許數值。在地基變形后，對建筑的底板和底部縱梁的受力產生較大影響，尤其在底部縱梁位置出現了不均勻沉降。

2.3 超前注漿加固控制

為了確保在建設項目的后續下穿時安全，在地鐵5號線的初期設計階段，對5 號線與11 號線相交部位地層進行加固控制處理[10]。在隧道中，對刀盤前的上部的土體，采用2～3m 的蓋層，在2～3m 的區域，進行了提前灌漿，形成洞頂上部非開挖區域的固結帷幕，每次加固后掘進完成6m 再進行下一循環超前注漿加固。在加固過程中，漿液壓力將會造成對既有車站構造產生影響，使其變形，在對既有車站進行注漿強化后豎向產生沉降，水平方向向中心靠攏，最后都會達到一個相對穩定的狀態，變形量相對于豎向較小。

2.4 頂管法下穿結構安全控制

頂管結構使用了實體元素進行模擬，根據現實工程情況來進行管節長度計算，在相鄰的管節連接處，采用非耦合的方式進行構建，僅對沿頂管頂板中線的單元節點中坐標重合的兩個節點進行了位移自由度耦合，并對其兩邊施加了一個橫向的變形限制。當主頂油缸的推力達原設計值40～60%時，可以增設一次頂油缸，此后當原頂油缸的推力達原設計值70～80%時，可以再增設一次頂油缸；當中繼油壓系統、主頂油壓系統的油壓達到80%后，才可啟動中繼間。對于有外施工的已建頂管隧洞，在受外工程的作用下，按表2 取值接縫張開量和極限曲率半徑。外部施工影響下既有頂管接縫張開量可選取2.5mm，變形引起的曲率半徑應大于12000m。

3 既有運營車站安全性評價

3.1 評價模型

為了降低邊界效應的干擾，將模擬的計算區域按照左右邊界與隧道的埋深之間的3～5 倍來進行分析，因此，該區域的整個計算模型的大小為150 m×150 m×70 m，既有運營車站整體模型如圖1 所示。

圖1 既有運營車站整體模型

此次的計算是按照實際工況模擬的，模擬步驟為：首先對現有的和新的兩個站點進行了換向清理，再對兩個站點的兩端進行加強，最后由東至西，全長25 個環。

3.2 監測點布置

南站穿越5 號線，在區間掘進及工作坑開挖過程中，會對既有線路造成不同程度的干擾。為了保證軌道的正常運行，在盾構機的推動和基礎施工過程中，對車站進行全程監測，監測點位置和編號如圖2 所示。

圖2 監測點布置示意圖

觀測點則是重點測量地下通廊底板、地下通廊樁基、站房及平臺本體上的上浮與垂直變形，以此來更好地展現地下通廊底板下面的土體沉降、底板脫空以及樁基變形程度，并以此來說明本項目在時間緊迫的情況下，確定樁-筏基及二次追蹤注漿法的可行性。

3.3 評價結果與分析

既有運營車站盾構區間下穿整體變形云圖，如圖3所示。

圖3 既有運營車站盾構區間下穿整體變形云圖

將圖3 作為判斷依據，分別使用數值模擬控制方法、實測耦合作用變形控制方法和所研究控制技術，對比分析既有運營車站盾構區間下穿整體變形云圖。為了進一步驗證所研究技術合理性，對比分析三種方法底縱梁變形程度是否與實際沉降量一致，如表1 所示。

表1 不同方法底縱梁變形程度/mm

由表1 可知，使用數值模擬控制方法與實際沉降量之間存在最大的誤差為5mm，使用實測耦合作用變形控制方法與實際沉降量之間存在最大的誤差為3mm，使用所研究控制技術與實際沉降量之間存在最大的誤差為1mm。

4 結論

通過三維有限元分析和控制方法，驗證了既有運營車站注漿加固及頂管下穿變形控制研究的有效性，確保了工程順利進行，并得到如下結論：盾構區間下穿既有運營車站變形控制前，通過構建下穿施工過程數值模擬模型，參考相關標準，初步確定既有運營車站結構發生不均勻沉降位置；采用三維荷載結構模型分析接觸面受力狀態，滿足結構極限狀態受力要求；通過超前注漿加固技術和頂管法，控制既有運營車站變形，并通過實驗驗證了所研究技術的有效性。