盾构法下穿既有地铁车站变形影响分析

2020-09-21王旭声闫路恒

工程技术研究 2020年15期

王旭声，钱行，闫路恒

（郑州市轨道交通设计研究院有限公司，河南郑州 450045）

为解决城市交通拥堵问题，轨道交通工程在城市建设中快速发展，形成了密集的地下交通网络。新建地铁线路不可避免与既有线路交叉，为保证既有车站的安全运营，新建区间隧道工程常采用盾构法施工，以控制对既有车站结构的变形影响。文章采用地层-结构模型，以郑州市轨道交通三号线工程二七广场站—顺城街站区间盾构下穿既有一号线二七广场站为例，基于ANSYS软件计算盾构下穿施工引起的既有车站结构变形，分析盾构下穿施工中既有车站结构的变形规律，对盾构区间下穿既有车站工程施工提出建议。

1 工程概况

二七广场站—顺城街站区间，位于郑州市解放路和西大街下方，是郑州市轨道交通三号线区间工程，线路出三号线换乘站后下穿地铁一号线二七广场站。区间隧道衬砌圆环内径为5.2m、外径为6.2m，管片厚度为0.35m，钢筋混凝土管片设计强度为C50。一号线二七广场站为地下两层双柱三跨现浇钢筋混凝土框架结构，车站总长度为273.8m，宽度为21.7m，采用明挖和局部盖挖顺筑施工，现阶段已正常运营且客流量大。

工程场地属于黄河冲积平原，地形平坦，附近无地表水体分布且无地面塌陷、地面沉降等地质灾害。区间隧道在换乘节点处下穿一号线二七广场站，盾构管片顶与车站底板底的距离约为1.59m。由于一号线车站围护结构采用φ1200mm@1500mm钻孔灌注桩，三号线车站围护结构在换乘节点处采用厚度为600mm的地连墙，区间隧道工程施工需依次穿过三号线车站地连墙和一号线车站围护桩。在车站间盾构端头位置进行土体加固，加固范围沿线路纵向10m、横向23m。区间隧道与车站空间位置关系如图1所示。

图1 区间隧道与车站空间位置关系图

2 模型计算

2.1 模型构建

根据地层和结构相互作用方式的不同，地下结构力学计算模型可分为荷载-结构模型、地层-结构模型。在外部荷载明确、结构在承载稳定中发挥重要作用的情况下，可采用荷载-结构模型对结构承载进行计算；在围岩具有一定自承能力、考虑地层和结构共同承载作用的情况下，可采用地层-结构模型对结构承载、地层变形进行计算。考虑围岩土层的承载能力和约束作用，文章采用地层-结构模型，计算盾构区间下穿施工中既有车站的结构变形。

岩土材料是多相颗粒材料，其力学特性有非线性、各向异性等性质，工程中采用近似假设的力学模型进行数值模拟。目前，岩土材料常用的本构模型有Duncan-Chang模型、Mohr-Coulomb准则、HS模型等，其中Mohr-Coulomb准则为弹塑性模型，能较好地模拟岩层和土体的强度问题，多用于计算岩层变形、边坡稳定分析等问题。文章采用Mohr-Coulomb准则作为土层的本构模型，计算盾构区间下穿施工中既有车站的结构变形。

目前，常用于有限元分析的大型计算软件有ANSYS、Midas、Flac等，其中ANSYS是可进行多场计算的大型通用有限元分析软件，在航空航天、土木工程、机械制造、生物医学等领域有着广泛的应用。文章采用ANSYS软件建立有限元模型，土体采用实体单元，车站结构和围护结构采用壳单元，计算模型及网格划分如图2所示。地表取为自由边界，其他五个面均约束其法向变形。

图2 计算模型及网格划分

2.2 材料参数

依据地质勘查报告，计算模型采用②21粉质黏土、②32砂质粉土、②33黏质粉土、②41粉砂、②51粉质黏土作为土层结构模型。

根据地质参数综合统计表，并参考郑州地区其他相关工程的地质资料，确定计算模型中各地层的物理力学参数，围护桩及地下结构的计算参数按建设期混凝土标号选取。土层及结构材料参数如表1所示。

表1 土层及结构材料参数

2.3 模拟工序

为准确模拟施工步骤和计算结构变形，计算共设置33个步序：第0步序模拟初始地应力，进行原始地层位移清零；第1步序模拟破除三号线车站左线地连墙；第2步序模拟盾构掘进穿过左侧加固土，破除一号线车站围护桩；第3～17步序模拟盾构左线施工，每次掘进9m，在掌子面上施加顶推力，衬砌上一步序管片；第18步序模拟破除三号线车站右线地连墙；第19步序模拟盾构掘进穿过左侧加固土，破除一号线车站围护桩；第20～32步序模拟盾构右线施工，每次掘进9m，在掌子面上施加顶推力，衬砌上一步序管片。盾构左、右线下穿施工步序，如图3、图4所示。

图3 步序1～17盾构左线下穿图

图4 步序18～32盾构右线下穿图

2.4 计算结果

各工序引起既有地铁一号线车站的竖向变形结果如表2所示。各工序引起既有地铁一号线车站的横向变形结果如表3所示。

分析计算结果可得，新建三号线区间施工对既有地铁一号线车站结构产生了一定程度的竖向变形和横向变形，结果满足设计规范要求。盾构下穿施工中既有车站结构的竖向变形逐渐增大，最大变形值为5.872mm，车站西侧结构侧墙下沉，发生在第32步序，如图5所示。盾构下穿施工中既有车站结构的横向变形逐渐增大，最大变形值为1.335mm，车站西侧结构顶板外倾，发生在第32步序，如图6所示。通过分析结构变形规律可得，随隧道下穿施工既有车站结构的变形逐渐增大，增加幅度逐渐减小，随盾构下穿施工完成车站结构变形趋于稳定。

表2 地铁一号线车站的竖向变形结果

表3 地铁一号线车站的横向变形结果

3 结论

文章基于ANSYS软件，以郑州市轨道交通三号线工程二七广场站—顺城街站区间盾构下穿既有一号线二七广场站为例，通过建立三维地层-结构模型，采用Mohr-Coulomb准则计算了盾构下穿施工中既有车站结构的结构变形，分析了既有车站结构的变形规律。结果表明，随盾构下穿施工既有车站结构的竖向、横向变形逐渐增大，增加幅度逐渐减小，当盾构下穿至结构侧墙位置时，车站结构变形幅度最大。为确保既有车站的安全运营，应结合现场条件制定合理的设计和施工方案，严格控制车站结构变形和地面沉降。主要结论如下：（1）围护结构应“分层、分块、分步”进行凿除，及时架设脚手架以保证掌子面稳定，不可超破，待加固土体检测合格后方可进行施工。（2）盾构机磨桩的过程中，应根据出渣情况对掘进参数和螺旋转速进行调整，必要时可对螺旋机内渣土进行改良。（3）盾构下穿车站过程中，应严格控制注浆压力、出土量等参数，同时调整好盾构姿态，避免因注浆压力过大或姿态偏差引起风险。