扈士琰

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京100025)

近接既有地下結(jié)構(gòu)的主要風險來自施工過程對既有結(jié)構(gòu)影響［1－4］。多位學(xué)者對地鐵車站、區(qū)間近接既有結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)研究，得出了一些有益結(jié)論［5－10］。本文選取北京地鐵15號線奧林匹克公園站近接既有隧道結(jié)構(gòu)為依托，針對北京地區(qū)砂性土與粘性土互層的地質(zhì)條件，采用三維數(shù)值計算與現(xiàn)場實測對暗挖車站近距離近接既有隧道結(jié)構(gòu)進行動態(tài)模擬，分別從近接施工引發(fā)的地表沉降、既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移的角度對施工擾動效應(yīng)進行分析，研究現(xiàn)有開挖方式與支護參數(shù)條件下近接既有結(jié)構(gòu)的安全性，為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程背景

暗挖車站結(jié)構(gòu)寬 25.5 m，高 16.2 m，長126 m，采用8導(dǎo)洞開挖。暗挖車站施工前，已經(jīng)對洞周圍巖進行降水，所以不考慮地下水的作用。暗挖車站近接既有結(jié)構(gòu)剖面關(guān)系如圖1所示。

暗挖車站近接既有隧道結(jié)構(gòu)施工步序:

(1)開挖小導(dǎo)洞前超前加固洞周地層。

(2)先開挖導(dǎo)洞1、4，然后開挖導(dǎo)洞2、3，兩者錯距5 m，導(dǎo)洞支護后施作車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)鉆孔灌注樁及樁頂冠梁。

(3)先開挖導(dǎo)洞5、8，然后開挖導(dǎo)洞6、7，兩者錯距5 m，導(dǎo)洞支護后施作車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)鉆孔灌注樁。

(4)在導(dǎo)洞1、4內(nèi)施作樁頂冠梁并回填，同時施作鋼管樁。

(5)開挖車站頂板上部土體，施作車站頂板。

(6)開挖站廳層下部土體，并施作車站中樓板及側(cè)墻。

(7)開挖車站下部土體，施作車站底板及側(cè)墻，封閉車站結(jié)構(gòu)。

2 計算模型的建立

2.1 計算模型的建立

以北京地鐵15號線奧林匹克公園站近接既有結(jié)構(gòu)為依托，地下結(jié)構(gòu)開挖只會影響周邊一定范圍內(nèi)的土體，計算模型邊界范圍:選取暗挖車站寬度方向為x軸，數(shù)值為125 m;選取暗挖車站長度方向為y軸，數(shù)值為45 m;選取土層重力方向為z軸，數(shù)值為85 m。根據(jù)勘察單位提供的資料，區(qū)域內(nèi)地層自上而下可分為6層，暗挖車站近接既有結(jié)構(gòu)共有40 226個節(jié)點、10 320個單元。計算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

暗挖車站近接既有隧道結(jié)構(gòu)計算模型采用位移邊界條件:兩側(cè)約束水平位移，底部約束豎向位移，頂部為自由邊界。

2.2 計算參數(shù)的確定

計算模型遵循如下基本假定:

(1)區(qū)域內(nèi)地層服從Drucker－Prager彈塑性屈服準則;車站與既有隧道結(jié)構(gòu)服從理想線彈性本構(gòu)模型。

(2)各地層近似層狀分布。

(3)不考慮地下水與構(gòu)造應(yīng)力的影響。

區(qū)域內(nèi)地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用理想線彈性模型，彈性模量為 25.5 GPa，泊松比為 0.2。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of surrounding rock mass

3 近接既有結(jié)構(gòu)計算分析

選取計算模型y軸中間斷面為重點研究對象，分別從近接施工引發(fā)的地表沉降、既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移及各階段既有隧道結(jié)構(gòu)強度檢算的角度，對地鐵暗挖車站近接既有結(jié)構(gòu)施工響應(yīng)進行數(shù)值分析。

3.1 地表沉降

暗挖車站近接既有結(jié)構(gòu)施工引發(fā)的地表沉降是表征土建施工對環(huán)境影響的重要指標，特別是對于建筑物密集分布、交通繁忙、管線較多的中心城區(qū)。

圖3為地鐵暗挖車站施工引發(fā)地表沉降曲線，可得以下結(jié)論:

(1)暗挖車站導(dǎo)洞2、3開挖引發(fā)地表沉降占最終位移值的41.9%，所占比例最大;導(dǎo)洞1、4開挖引發(fā)地表沉降所占次之，比例數(shù)值為27.4%。

(2)由計算結(jié)果可得，上部導(dǎo)洞開挖引發(fā)的地表沉降比例達到69.3%，因此成為暗挖車站近接既有結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步序，應(yīng)超前注漿加固洞周地層，縮短開挖進尺，及時施作樁頂冠梁及鋼管柱，增大車站結(jié)構(gòu)的豎向剛度。

(3)暗挖車站近接既有隧道結(jié)構(gòu)引發(fā)的地表沉降最大值出現(xiàn)在車站中線部位，影響范圍為車站中線兩側(cè)約40 m。

3.2 既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

暗挖車站施工引發(fā)既有結(jié)構(gòu)變形，既有隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移成為近接施工響應(yīng)的重要評價指標。

圖4為暗挖車站不同施工階段既有隧道結(jié)構(gòu)位移云圖，可得以下結(jié)論:

(1)既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移變化值最大發(fā)生在開挖導(dǎo)洞2、3階段，位于新建車站中線上方最大值為8.37 mm;

(2)暗挖車站施工完成后，既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為11.2 mm，滿足《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》安全要求，說明現(xiàn)行開挖方法與支護參數(shù)條件下，地鐵暗挖車站近接施工可以確保既有結(jié)構(gòu)安全運營。

圖5為地鐵暗挖車站施工引發(fā)既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移，可得以下結(jié)論:

(1)暗挖車站導(dǎo)洞2、3開挖引發(fā)既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移所占比例最大，這與地表沉降規(guī)律一致。

(2)暗挖車站導(dǎo)洞1、4時，既有隧道結(jié)構(gòu)底板下中部土體有一定范圍的隆起變形，建議導(dǎo)洞1、4與2、3錯距開挖，減小開挖進尺。

4 現(xiàn)場實測對比

選取地鐵車站中線上方地表測點進行地表沉降跟蹤監(jiān)測，與數(shù)值計算結(jié)果進行對比，如表3所示［9－10］。

表3 地表沉降分階段控制Tab.3 The ground settlement control by stage

由表3可得地鐵車站中線上方地表沉降變形規(guī)律:暗挖車站導(dǎo)洞2、3開挖引發(fā)地表沉降占最終位移值的41.4%，所占比例最大;導(dǎo)洞1、4開挖引發(fā)地表沉降所占次之，比例數(shù)值為26.9%，這與數(shù)值計算結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

1)暗挖車站導(dǎo)洞2、3開挖引發(fā)地表沉降占最終位移值的41.9%，導(dǎo)洞1、4開挖引發(fā)地表沉降為27.4%，上部導(dǎo)洞開挖成為暗挖車站近接既有結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步序。

2)上部小導(dǎo)洞開挖應(yīng)超前注漿加固洞周地層，縮短開挖進尺，及時施作樁頂冠梁及鋼管柱，增大車站結(jié)構(gòu)的豎向剛度。

3)暗挖車站近接既有隧道結(jié)構(gòu)引發(fā)的地表沉降最大值出現(xiàn)在車站中線部位，影響范圍為車站中線兩側(cè)約40 m。

4)暗挖車站施工完成后，既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為11.06 mm，滿足《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》安全要求。

5)暗挖車站導(dǎo)洞1、4時，既有隧道結(jié)構(gòu)底板下中部土體有一定范圍的隆起變形，建議導(dǎo)洞1、4與2、3錯距開挖，減小開挖進尺。

6)通過不同施工階段彎矩對比，在暗挖車站下結(jié)構(gòu)施工擾動條件下，近接既有結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)強度安全要求。

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