盾构下穿时既有国铁站房的受力分析及加固方案

2022-11-21刁维科

城市轨道交通研究 2022年9期

雷崇刁维科

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥第一作者，正高级工程师)

随着城市轨道交通的快速发展，盾构隧道下穿既有建(构)筑物已成为城市建设中常见的工程问题。文献[1]以南昌地铁2号线下穿南昌火车站为例，通过有限元数值计算获得了站房结构易发生裂损区域，为后续相应工程提供了参考。文献[2]以广州地铁2号线下穿广州火车站站场为背景，采用地层加固及扣轨辅助方案，连续、安全、快速地穿过站场，具有重要的借鉴意义。文献[3]以贵阳轨道交通1号线下穿贵阳火车站售票厅及行包房工程为背景，通过数值计算方法对下穿段地应力及区间隧道开挖支护进行研究，并采取各种有效安全措施，保证了工程顺利实施。

以上成果对相关研究具有重要借鉴意义。但既有相关研究中针对盾构隧道正下穿国铁站房的相关研究相对较少。文献[4]以优化露空长度为目标，采用有限元软件对盾构隧道下穿站房基础等沉降规律进行了研究，并针对减少施工沉降问题提出了诸多优化方案，但其尚未介绍站房结构安全分析及相应的加固方案。为保证盾构隧道顺利下穿以及站房安全可靠，本文通过数值计算分析了站房基础存在既有沉降、站房无加固时，由盾构下穿引起的站房基础沉降及站房上部结构内力变化，以及不同站房加固方案对应的结构内力变化等问题；提出了新增桩基+预应力梁的加固方案，为后续类似工程提供一定的参考与借鉴。

1 工程概况

合肥轨道交通1号线三期工程起点为合肥站站，终点为天水路站，其中瑶海公园站—合肥站站区间(以下简称“瑶合区间”)为单洞单线圆形隧道，采用盾构法施工，管片内径为5.4 m，壁厚为0.3 m。区间隧道覆土厚为11.9～18.5 m，主要穿越硬塑黏土层，正下穿合肥站站房公共区，下穿距离约为100 m。在隧道下穿及强影响范围内分布独立基础32座，人工挖孔扩底墩基23座，其相互关系如图1所示。

图1 瑶合区间下穿工程概况图Fig.1 Overview of the Yao-He interval under-crossing project

合肥站为枢纽内主要客站，始建于1997年，站房为2层钢筋混凝土框架结构，主要为独立基础和局部墩基础，站房使用期间未进行沉降监测。2010年对站房部分梁、板、柱等作无损切割、开洞、植筋、粘钢、混凝土封闭等综合处理；完成改扩建后，站房面积扩大31%。2016年站房再次改造时，将地面出站厅改造为地下出站，与南广场地下换乘厅顺接。

2 盾构下穿施工对既有国铁站房的影响

地层损失率是指盾构施工时，单位长度土体损失量与土体实际开挖体积的比值，综合反映盾构掘进时同步注浆的及时性和填充率，以及施工管理质量、技术水平、工艺等因素对地面沉降的影响[5]。在数值分析中，用地层损失率来模拟上述影响，以体现不同的盾构施工水平。本文采用MIDAS/GTS软件对3‰、4‰、5‰地层损失率盾构下穿引起的站房基础沉降进行计算分析。经试算，按5‰地层损失率进行控制，站房基础沉降偏大，对应站房加固措施的工期、造价和影响较大，不满足实际要求；按3‰地层损失率进行控制，站房加固的工期、造价和影响大大降低。考虑保留一定安全冗余，确保万无一失，本文重点分析4‰地层损失率工况，其他两种工况作为类比进行对比分析。

2.1 建立模型

根据隧道与站房之间的相互关系，建立地层结构模型，模型尺寸为：130 m(长)×200 m(宽)×50 m(高)，如图2所示。站房部分仅体现框架柱及其基础，将站房上部结构转化为集中荷载作用在框架柱顶。

图2 计算模型Fig.2 Computational model

2.2 材料参数

根据地勘报告及设计标准，确定相关参数如表1和表2所示。

2.3 计算分析

根据实际工程施工工序，模拟过程如下：

1) 设定边界及初始条件，计算初始应力平衡状态，模型位移清零。

2) 盾构作业主要步序：①开挖。通过“钝化”一个计算步长范围内的隧道土体单元模拟隧道开挖；②支护。开挖后，“激活”盾壳支护单元，同时给开挖面施加面压力，以保持盾构开挖面的稳定；同时在盾尾“激活”一个管片长度的管片和等代层单元，以模拟盾构管片拼装及同步注浆过程；滞后3环管片，调整等代层参数模拟注浆材料硬化。③重复开挖、支护步序，直至完成整个盾构隧道的贯通。

表1 土体计算参数Tab.1 Calculation parameters of soil mass

2.4 结果分析

受篇幅限制，此处仅展示站房基础竖向位移。双线隧道贯通后站房基础沉降值如图3所示。由图3可知，双线隧道贯通后，站房基础最大沉降为7.07 mm，发生在左右线中间且基底荷载大的基础上。地层损失率为3‰、4‰和5‰条件下的计算结果如表3所示。

图3 双线隧道贯通后站房基础沉降值

表3 不同地层损失率下隧道施工对站房基础影响统计表

3 站房加固方案

3.1 建立模型

由于站房使用期间未进行沉降监测，采用分层总和法计算站房基础的既有沉降值，根据基底附加应力的不同，沉降计算深度影响范围为7～13 m。计算结果表明，一般相邻柱间沉降差为0～4 mm，局部大跨区域(24 m跨)最大沉降差为0～10 mm，既有沉降计算满足规范要求。

利用YJK软件建立合肥站站房主体结构的三维模型，如图4所示(不含站房独立基础)。输入前文计算的站房基础既有沉降与盾构下穿引起的附加沉降，计算站房结构内力变化，并研究相应加固方案。本文以4‰地层损失率为例进行详细介绍，其他两种工况(3‰地层损失率和5‰地层损失率)作为类比进行对比分析。

图4 站房主体结构三维示意图Fig.4 3D schematic diagram of station building main structure

3.2 计算分析

合肥站为两层钢筋混凝土框架结构，按照最新规范校核，经过计算可知，站房上部结构较大范围出现构件承载力不足。B-Ⅲ 区(标高7.790 m)、B-Ⅱ 区(标高7.790 m)、C-Ⅰ 区(标高3.770 m、7.970 m、12.500 m)存在框架梁、柱配筋不足情况。以B-Ⅲ 区为例进行分析，对比配筋与原结构实际配筋计算结果(标高7.970 m)如图5所示(本工程基于相对标高为零开展工作，对应吴淞高程绝对标高30.400 m)。

图5 B-Ⅲ区计算配筋与原结构实际配筋对比(标高 7.970 m)

图6 站房基础加固示意图Fig.6 Schematic diagram of station building foundation reinforcement

3.3 加固方案

针对站房上部结构的部分梁顶、梁底及柱出现配筋不足的情况，同时考虑到B-Ⅱ 区、C-Ⅰ 区的梁柱构件在站改时已加固补强，无法二次加固提高构件承载力，经多次试算，本文提出采用桩基+预应力梁方案对部分沉降大的站房框架柱进行加固处理，将站房框架柱用预应力梁采取植筋的方式连接。梁高为1 500～1 800 mm，梁宽为900～2 000 mm，埋深为0.2 m，采用C40混凝土；新增钻孔灌注桩桩径为800 mm，单桩承载力特征值为3 000 kN，桩端进入持力层不小于1.0 m，如图6所示。地层损失率为3‰、4‰和5‰时，所对应的站房加固方案如表4所示。

表4 不同地层损失率下站房加固方案统计表

3.4 加固方案验证

基于所提加固方案，采用Plaxis 3D软件对盾构下穿引起的站房基础沉降进行验证。以4‰地层损失率为例进行详细介绍，其他两种工况(3‰地层损失率和5‰地层损失率)作为类比进行对比分析。首先进行桩基施工(有钢护筒护壁，不考虑缩孔影响)，然后进行梁(筏板)施工，最后进行盾构施工模拟。具体施工步骤为：①加固钻孔桩施工，②基坑开挖，③梁(筏板)施工及覆土回填，④～⑩右线盾构施工，～左线盾构施工。

图7 考虑加固措施下的双线隧道贯通后站房基础沉降值Fig.7 Foundation settlement value after double track tunnel penetration considering reinforcement measures

计算模型与图2相似，此处不再赘述。考虑加固措施下的双线隧道贯通后站房基础沉降值如图7所示。由图7可知，考虑加固措施后，对站房上部结构内力影响较大的框架柱沉降得到明显抑制，同时对附近的框架柱沉降也有改善，站房基础差异沉降满足0.001L(L为相邻柱距)的控制标准。对于部分跨度较大的转换梁，采用预应力起拱，以增加其刚度。此方法可精准将所加固的框架柱沉降控制在2 mm以内，可进一步确保站房结构的安全。

综合考虑站房基础既有沉降和盾构下穿引起的附加沉降，当地层损失率为4‰时，采用桩基+预应力梁的加固方案能确保站房结构安全，其相较于地层损失率为3‰的工况，保留了一定的安全冗余；其相较于地层损失率为5‰的工况，有效缩短了工期，降低了造价及对站房的影响。因此推荐4‰地层损失率工况的桩基+预应力梁加固方案。