盾构隧道近距离下穿在建城际车站影响分析

龙喜安

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010)

城市轨道交通建设中盾构下穿既有建构筑物的风险控制与保护是一项重大研究课题。近年来，国内已有学者对该领域进行了一系列研究。谭富圣[1]对地铁盾构隧道下穿既有桥群桩基础保护方案进行了研究，通过扩大板基础托换的实施，大幅减少施工期间既有桩基沉降。郭靓[2]对淤泥质软塑地层盾构下穿客运专线设计进行了分析，提出“盾构注浆加固+隔离桩”的加固方案，并采用桥梁 “顶升法”作为应急预案，预防盾构下穿铁路施工中的风险。欧阳林等[3]对高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固法下盾构隧道施工过程的路基沉降影响进行了分析。周剑[4]研究了盾构掘进对 U 形槽和桥梁桩基的影响并进行了数值模拟分析。吴大勇[5]等创新性地将 R/S分析法引入盾构下穿机场过程中的地表变形规律研究中，为及时调控施工参数提供了一定的依据。阮雷[6]等研究了新建盾构隧道施工对既有铁路路基的影响并进行了数值模拟分析。已有研究多为针对区间上方建构筑物已经完工，建构筑物已采取了相应保护措施的条件下去分析盾构下穿对建构筑物的影响。佛山市城市轨道交通三号线大墩站-东平站区间隧道盾构处于始发施工阶段，盾构需要近距离下穿广佛环城际铁路东平新城站。经沟通协调，广佛城际东平新城站结构底板下方增加了桩基础，并预留节点供盾构通过，待东平新城站主体结构顶板封顶后，三号线盾构再下穿通过，可大大降低安全风险。

但后期由于两者工期冲突，三号线右线盾构下穿车站前，右线盾构上方车站中板已实施完成，且第一、二道砼支撑已经拆除(未完成顶板封顶)，左线隧道上方车站顶板已完工。因此，需要针对三号线盾构区间施工对广佛城际既有在建车站的安全影响进行评估和分析。通过建立车站主体结构与围护结构及区间隧道为一体的三维整体本构耦合模型，从施工步骤的实际状态出发，分步骤进行模拟，记录每一状态下连续墙的变形和内力变化。

1 工程背景

广佛城际东平新城车站位于君兰路正下方，呈东西向布置，横跨文化南路、华章路。车站周边规划以商业、行政办公、绿化、居住用地为主。车站总长740 m，为地下2层侧式站，车站标准段宽约51.72 m，基坑深约20.60 m，采用明挖顺筑法施工。

佛山市城市轨道交通三号线大墩站-东平站盾构区间下穿广佛城际东平新城站。经与广佛城际东平新城站沟通协调，其结构底板下方增加了桩基础，并预留节点供盾构区间通过。在穿越东平新城站两侧1 m范围增加直径为1.5 m的桩基础，在盾构区间穿越连续墙9 m范围内，连续墙钢筋采用玻璃纤维筋。右线区间结构距离东平新城站底板最小距离为0.851 m，左线区间结构距离东平新城站底板最小距离为0.808 m，区间结构距离东平新城站桩基础均约1 m，如图1所示。

图1 区间穿越东平新城站断面关系(单位:mm)

该工程位置地质条件较为复杂，属于深厚软弱地层。根据详勘报告[7]，地质纵剖面从上至下土层分别为:(1-1)素填土、(2-1)淤泥质土、(2-2)淤泥、(3-1)粉砂、(3-2)细砂、(3-3)中砂、(3-4)粗砂、(4-1)粉质黏土、(7-2)强风化岩、(8-2)中风化岩层。地下水主要有两种基本类型，分别为松散层孔隙水和基岩裂隙水，土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

2 三维有限元分析

2.1 分析工况

采用5个施工步骤来进行模拟(即分为5个工况)，其中，第1施工步骤模拟基坑开挖前初始状态，第2施工步骤模拟右线盾构下穿东平新城站前中板已完成的状态，第3个施工步骤模拟右线盾构下穿东平新城站前拆除第二道支撑状态，第4个施工步骤模拟右线盾构下穿东平新城站前拆除第一道支撑状态，第5个施工步骤模拟右线盾构下穿车站状态。具体工况如表2所示。

2.2 有限元模型

结构板墙主要参数如表3所示，根据结构空间立体关系及施工特点，建立的三维有限元计算模型如图2、图3。采用实体单元模拟地层，采用板单元模拟车站结构、连续墙、隧道管片，采用梁单元模拟内支撑等。分析采用水土分算的模式，采用摩尔-库伦破坏准则仿真模拟地层。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部为Z方向位移约束，模型前后面为Y方向约束，模型左右面为X方向约束。

表2 分析施工步骤

图2 初始状态有限元模型

图3 东平新城站与三号线左右线隧道关系有限元模型

表3 结构板墙主要参数

3 盾构下穿条件下连续墙三维模拟结果及其分析

本模型共有十多万个单元。为节约计算时间，便于收敛，第1、2计算步骤先计算出右线隧道下穿前的初始应力状态，并将第1计算步骤的位移清零。第3至第4计算步骤计算拆除混凝土支撑引起连续墙的位移、内力等的变化，第5步施作右线盾构下穿车站，根据该变化值来判断右线隧道下穿对连续墙的影响。

3.1 连续墙变形

图4～图6为右线隧道下穿对连续墙水平位移、竖向位移和总位移云图。

计算结果显示，由于支撑拆除和右线隧道下穿，连续墙产生了位移，如表4所示。

图4 右线隧道下穿连续墙水平位移云图

图5 右线隧道下穿连续墙竖向位移云图

图6 右线隧道下穿过程连续墙总位移云图

mm

根据表4中数据可知：随着支撑拆除和右线盾构隧道下穿，车站连续墙的水平位移、竖向位移、总位移有一定变化。连续墙变形主要来源分为两部分，一部分是地铁车站基坑开挖过程中所产生的变形，另一部分为盾构穿越连续墙和剩余混凝土支撑拆除产生的变形，其中地铁车站基坑开挖过程中所产生的变形占大部分。连续墙最大水平位移，竖向位移，总位移值分别为27.83 mm、1.367 mm、27.94 mm，均小于30 mm，盾构下穿对连续墙变形影响很小。

3.2 连续墙内力

图7、图8为右线隧道下穿时的连续墙弯矩和剪力云图，连续墙弯矩和剪力如表5所示。

图7 右线隧道下穿连续墙弯矩云图

图8 右线隧道下穿连续墙剪力云图

施工步骤弯矩/(kN·m)剪力/kN初始应力阶段连续墙未实施连续墙未实施右线盾构下穿车站前阶段1403.8467.9拆除第二道混凝土支撑1401.9443.1拆除第一道混凝土支撑1402.0442.7右线盾构下穿阶段1405.4442.4

由表5可知，右线隧道下穿过程中连续墙最大弯矩值为1 405.4 kN·m，最大剪力值为467.9 kN。连续墙内力主要来源分为两部分，一部分是地铁车站基坑开挖过程中所产生的内力，另一部分为盾构穿越连续墙和剩余混凝土支撑拆除产生的内力变化；连续墙配筋满足要求。

4 隧道下穿过程中实际监测结果

盾构施工过程中，应对盾构机的推进速度、顶推力、同步注浆、二次注浆进行严格控制，保证24 h连续、平稳作业，及时进行同步及二次补充注浆。施工中应严格贯彻信息化施工原则，根据监测数据的变化及时调整各项盾构掘进施工参数。盾构下穿过程中连续墙未出现裂缝，处于正常受力状态，连续墙实际监测最大水平位移，竖向位移，总位移值分别为25.74 mm、1.421 mm、26.83 mm，小于30 mm，处于正常范围之内。

5 结论

(1)通过建立三维有限元模型，分析盾构下穿过程中对车站围护结构内力和变形的影响， 结果表明，盾构下穿对连续墙变形影响很小。广佛城际东平新城站结构底板下方增加了桩基础，预留了节点供盾构区间通过，理论计算中盾构下穿不会对广佛城际东平新城站产生影响。

(2)现场盾构施工过程中，通过对盾构机的推进速度、顶推力、同步注浆、二次注浆进行严格控制，盾构下穿过程中车站围护结构未出现裂缝，围护结构变形处于30 mm之内，未超过规范容许值，实际监测数据与理论值接近，确保了广佛城际东平站在建过程中盾构顺利通过。