隧道下穿火车站站房CRD法加固方案优化分析

2019-11-18朱正国方智淳王道远

高速铁路技术 2019年5期

朱正国方智淳王道远

(石家庄铁道大学，石家庄 050043)

近年来，由于我国各省市的城市化进程逐渐深入发展，地上交通和地面构筑物越来越难以解决当今社会的发展诉求，对地下空间的开发与利用已经被绝大多城市提上日程[1-2]。为满足人们工作中与生活中出行需要，我国城市轨道交通建设正在如火如荼地发展。轨道交通的建设离不开隧道工程，隧道的修建往往会遇到需要下穿既有建筑结构或历史遗迹等构筑物的情形，为保证地上结构不受隧道下穿施工的干扰，亟需开展隧道下穿施工过程中的稳定性研究[3-5]。

目前，国内外很多专家学者在隧道下穿施工过程中引起的对既有建筑物的影响以及沉降变形控制研究等领域取得了不少成果。Mrouch等人利用Peck得到隧道下穿过程中造成的地表沉降，再根据土层整体变形反算得到既有建筑物的稳定性分析[6]。李强等人以广州地铁五号线为例，对隧道施工过程中附近已有桩的基底承载力的位移和受力变化规律进行了分析，得到了靠近桩一侧的摩阻力状态[7]。许江等人利用大型有限元分析软件，研究了城市地铁修建过程中对既有建筑物地基受力所产生的影响[8]。姚海波[9]和张晓丽[10]以隧道下穿既有地铁线路工程为背景，从施工方法比选、支护作用机理以及变形沉降机理等方面进行研究，得到了大断面隧道开挖过程中对既有线路产生的影响。许有俊以隧道下穿铁路为背景，采用三维建模方法计算隧道开挖到不同位置时，交通动荷载作用下隧道和地层在位移和应力上的动力响应结果[11]。但是由于隧道开挖周围岩体与外界作用的复杂性以及当前研究方法的局限性，关于隧道下穿既有建筑物特别是火车站站房，仍然有很多问题需要研究解决。

本文以新建隧道下穿新乡火车站站房为研究背景，利用有限元数值分析软件，对采用交叉中隔壁法(CRD法)施工的车站站房的变形进行研究，通过研究不同加固方案下地表沉降，比选出最经济合理的加固方案，保证施工快速、稳定、安全、有效的进行。

1 隧道-地层-路基相互作用关系

在既有车站站房下修建隧道，都不可避免会对既有站房产生扰动，使路基产生不均匀沉降，对站房内的工作造成影响。为保证既有站房在隧道下穿施工过程中安全运营，有必要严格控制隧道下穿施工时的路基沉降。在工程的整个设计、施工、管理以及运营中对变形沉降进行严格控制，通过有效的控制方法尽量减小地表沉降值，把隧道施工对站房造成的损害降到最小，保证其能够正常运营。

在隧道下穿站房的施工中，造成地层和路基沉降变形的主要因素有两个。一是由于隧道的开挖形成地层损失，造成施工扰动、应力释放、岩体卸载暴露以及围岩地层失稳等导致地层、路基沉降变形；二是站房运营所产生的人为动荷载通过路面传递给路基，再由路基传递到地层以及浅埋隧道拱顶，进而对路基路面、地层围岩、隧道结构产生变形影响，经过许多专家学者对交通荷载的研究发现，这部分荷载对既有建筑物特别是下方有隧道穿越的建筑物是有较大影响的。

在隧道下穿既有车站站房施工过程中，随着隧道的开挖扰动，洞周围岩开始变形，这种变形传递至地层，引起地层变化。由于是浅埋隧道，变形会很快传递至地表和路基，引起路基沉降破坏，影响建筑物结构安全。假定这一传递过程是连续的，即将隧道、地层、站房地基三者视为共同作用、共同变形。这样可以简化研究隧道下穿施工引起地层和路基变形的规律。

在隧道下穿开挖过程中，隧道、地层、站房地基三部分相互关联，从开始变形到最后趋于稳定平衡状态，三者一直处于相互作用状态。隧道开挖造成原有地层损失，这种损失会形成围岩压力，致使隧道变形，进而造成洞周围岩和土层的位移变形，这种变形传递至地表和路基，如果路基变形超过最大允许变形，将产生运营安全隐患；在隧道下穿施工的同时，站房正常运营，运营荷载会对线路进行作用，荷载通过路基传递至地层进而影响正在施工中的隧道，增加了下穿站房隧道有别于普通浅埋隧道的施工难度，给隧道施作带来安全风险。所以三者的变形受到施工开挖和运营荷载的共同作用、共同影响。三者的作用关系如图1所示。

图1 隧道、地层、路基相互作用关系图

综合以上分析，隧道、地层、路基三者相互作用是通过传递进行的，而地层则像隧道和路基变形之间传递的“介质”，变形必须通过地层才得以发展。因此，想要控制路基沉降，主要的途径是对地层采取相应的处理措施，只要截断变形传递的路径，就能很好的控制变形的发展，确保铁路运营和隧道的施工安全。

2 隧道下穿站房CRD法加固方案比选分析

采用CRD法进行施工，既可以保证隧道开挖过程中隧道自身整体的稳定性，同时从经济角度考虑也可以节约成本，保证工程又快又好的进行。

2.1 计算模型和计算参数

采用有限元软件ANSYS进行建模，将赋好参数的模型再导入FLAC进行力的加载和施工步的设置最终得到计算结果。将隧道近似为圆形，X、Y、Z三个方向的尺寸为172 m×40 m×60 m(隧道的顶端到火车站站房的表面距离为7.42 m)，模型的左、右、前、后以及下部边界采取约束法向位移的边界条件。

对隧道分别进行水平加固和周围加固两种加固两种方案对比。水平加固方案是在管幕的下方打入桩基，管幕的直径分别为600 mm和300 mm，水平加固方案的整体模型和模型的局部计算示意图如图2所示。周边加固方案的整体模型和模型的局部计算示意图如图3所示。左右两边的隧道每边分为4个开挖部分，各个开打挖部分之间隔开3个开挖步。进行开挖时先对开挖左侧隧道进行开挖，右侧隧道的开挖落后左侧隧道开挖12 m，设定的CRD法施工开挖顺序如图4所示。

图2 水平加固方案整体和局部计算模型图

图3 周围加固方案整体和局部计算模型图

图4 CRD法施工左右隧道开挖顺序图

由图2、图3可知，水平加固方案主要是对左右两个隧道进行一种门式框架类型的加固，整个加固区呈门型，加固区均由水平竖直区域相交而成。而对于周围加固区是根据隧道整体的形状进行一种整体的不规则的加固，其加固区随隧道形状和布置的变化而改变。

在模型计算加固时只需要将工况的参数修改为加固的参数进行计算，不加固时只需将相关的加固圈参数改为对应的地层参数即可。地层、初期支护及站房主体结构参数、管幕参数以及支撑桩参数如表1所示。

表1 地层参数及其他物理力学指标

2.2 地表沉降分析

为更好的对比加固的效果，在一般加固的基础上进行φ600水平加固、φ600周围加固以及φ300周围加固3种加固方案，各加固方案下不同施工阶段中的地表沉降曲线如图5～图8所示。

图5 一般加固地表沉降曲线图

图6 φ600水平加固地表沉降曲线图

图7 φ600周边加固地表沉降曲线图

图8 φ300周边加固不同施工阶段地表沉降曲线图

各加固方案地表沉降最大值对比表如表2所示。

表2 各加固方案地表沉降最大值对比表

由图5～图8可知，各加固方案整体沉降规律一致，开挖过程中，一开始随着隧道左侧的开挖，地表沉降逐渐加大，但是随着右侧隧道的开挖，地表最大沉降逐渐靠向右侧，右侧隧道监测面处的沉降值明显大于左侧隧道。同时，地表的最大沉降产生在左右隧道中心线之间，这是因为这片区域内的土体在左侧隧道开挖时就受到很大影响，随着开挖的进行，右侧隧道的开挖对这片区域的土体影响依旧很大，左右两侧的开挖对其应力产生力的叠加效应，所以在隧道全部贯通后，地表沉降的最大值产生在此范围内。同时，无论是水平加固方案还是周围加固方案，相较于一般加固方案，其对于地表沉降都是有效的，只是不同加固方案，所造成的影响有差异。

结合表2、对比图6、图7可知，在φ600范围内加固，水平加固下地表最大沉降为27.3 mm，相比于一般加固方案，差值为19%；而相同范围内的周边加固方案，地表最大沉降为10.6 mm，相较于一般加固方案，差值为68.5%，可见周边加固方案明显优于水平加固方案。再根据表2、对比图7、图8可知，相同的周边加固方案下，采用φ600的加固方案由于其加固范围更加广，所以其对于地表沉降控制的效果要好于φ300的加固方案，但φ300加固方案下，地表最大沉降为14.3 mm，相较于一般加固方案，差值百分比为57.6%，加固效果同样显著。

综合以上分析，在隧道下穿车站站房的CRD法施工下，周边加固方案明显优于水平加固方案和一般加固方案，但从经济角度考虑，φ300周边加固、φ600周边加固均能满足施工需要，所以采用φ300周边加固方案更为合理。

2.3 水平收敛分析

上述方案下左右两隧道伴随开挖情况下的水平收敛变化曲线如图9、图10所示。

图9 左侧隧道水平收敛值图

图10 右侧隧道水平收敛值图

各个加固方案左、右隧道水平收敛值如表3所示。

表3 各加固方案左右隧道水平收敛值对比表

由图9、图10及表3可知：无论是周边φ600范围内的加固还是φ300范围的加固，其控制横向收敛变形的效果都是明显的，而水平加固方案几乎没有起到作用，甚至在右隧道，水平加固后隧道的水平收敛值还要大于一般加固情况，因此水平加固不可取。而周边加固方案，无论是φ600还是φ300范围其效果都很显著，考虑到经济因素，选择φ300周边加固方案。