盧裕杰

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，102600，北京∥工程師)

地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路車(chē)站是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的工程，目前相關(guān)的研究主要集中在股道的變形上［1-4］。但鐵路車(chē)站內(nèi)建(構(gòu))筑物形式多樣，僅考慮股道的風(fēng)險(xiǎn)控制是不夠的。事實(shí)上，站臺(tái)無(wú)柱雨棚的樁基變形也是盾構(gòu)隧道下穿鐵路車(chē)站施工中不可忽略的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。站臺(tái)無(wú)柱雨棚的柱子設(shè)置在股道之間，盾構(gòu)隧道施工導(dǎo)致的樁基變形不但影響其美觀效果和正常使用，甚至?xí)＜靶熊?chē)安全，造成嚴(yán)重的后果［5-6］。這凸顯了對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究的重要性和迫切性。

基于此，本文以昆明城市軌道交通首期工程環(huán)城南路站—昆明火車(chē)站站盾構(gòu)施工區(qū)間為例，在進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)地鐵隧道穿越站臺(tái)無(wú)柱雨棚的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析，并提出規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的措施。本研究旨在完善地鐵隧道穿越鐵路車(chē)站的風(fēng)險(xiǎn)分析體系，為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

昆明城市軌道交通首期工程環(huán)城南路站—昆明火車(chē)站站區(qū)間全長(zhǎng)1 291.81 m，左右線線間距最大值為24.20 m;區(qū)間最大坡度為29.63%，最小坡度為10.49%，覆土厚度 10.79～23.36 m。地鐵隧道采用土壓平衡式盾構(gòu)施工，外徑6.20 m，襯砌厚度0.35 m。盾構(gòu)施工自昆明火車(chē)站站始發(fā)，先左線，完全通過(guò)昆明火車(chē)站后再施工右線。

在地鐵左線里程ⅠDK13 +850～ⅠDK13 +989區(qū)間，線路以75°夾角下穿昆明火車(chē)站股道，從站臺(tái)無(wú)柱雨棚的樁基群中穿過(guò)，主要影響周邊6 組樁基。其平面位置關(guān)系如圖1所示。其中，受影響最大的2 組樁基位于左線里程ⅠDK13 +879.11 處(圖 1 中A-A 剖面的1、2 組樁基)，其分別與左、右線隧道結(jié)構(gòu)外輪廓的凈距為2.66 m 和0.84 m。

昆明火車(chē)站站臺(tái)無(wú)柱雨棚于2006年建成投入使用，為大跨鋼管桁架網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。雨棚柱縱向(沿股道方向)間距為15～25 m，橫向(垂直股道方向)間距分別約為47.20 m 和41.25 m。柱基礎(chǔ)采用φ600 mm 摩擦型鉆孔灌注樁，兩樁一承臺(tái)形式，樁長(zhǎng)30 m。受影響最大的樁基與地鐵盾構(gòu)隧道的橫向關(guān)系如圖2所示。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道與站臺(tái)無(wú)柱雨棚樁基的平面關(guān)系圖

圖2 地鐵盾構(gòu)隧道與站臺(tái)無(wú)柱雨棚樁基的橫向關(guān)系圖

場(chǎng)區(qū)地層自上到下依次為雜填土①1，黏土②3，粉砂③3。盾構(gòu)隧道主要從粉砂層中穿越。粉砂層分布較連續(xù)，呈褐灰、灰、深灰色，中—密實(shí)，為中壓縮性土。

地下水主要賦存于第四系黏土及粉砂中，多以潛水或上層滯水形式存在，局部具微承壓。地下水位于地表下約1～2 m。

2 盾構(gòu)隧道下穿站臺(tái)無(wú)柱雨棚的主要風(fēng)險(xiǎn)

地鐵隧道下穿昆明鐵路車(chē)站施工對(duì)站臺(tái)無(wú)柱雨棚柱基的主要風(fēng)險(xiǎn)如下:

1)引起鉆孔灌注樁整體沉降:盾構(gòu)在樁側(cè)推進(jìn)時(shí)，隧道周?chē)翆訉⒉豢杀苊獾厥艿綌_動(dòng)，產(chǎn)生沿隧道方向的沉降，樁基相對(duì)土體有向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，產(chǎn)生負(fù)摩擦力，使樁基承載力降低。由于站臺(tái)無(wú)柱雨棚基礎(chǔ)為摩擦型鉆孔灌注樁，摩擦力的損失可能導(dǎo)致其發(fā)生過(guò)量的沉降。

2)引起鉆孔灌注樁間的差異沉降:盾構(gòu)推進(jìn)所導(dǎo)致的地表變形在三維上表現(xiàn)為一個(gè)凹形沉降槽［7-8］，這使得處于不同位置的鉆孔灌注樁會(huì)發(fā)生不同的沉降量，從而導(dǎo)致雨棚樁基發(fā)生差異沉降。

3)引起鉆孔灌注樁的側(cè)向變形:在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，樁周?chē)馏w除產(chǎn)生豎向位移外，還有水平向位移，導(dǎo)致樁基產(chǎn)生沿深度方向不同的側(cè)向變形，從而引起樁基的扭曲、傾斜等。

4)盾構(gòu)穿越粉砂層時(shí)出現(xiàn)漏水、漏沙現(xiàn)象:由于地鐵區(qū)間隧道處在粉砂③3層，地層空隙率較大，且土自身不具有造泥性，盾構(gòu)通過(guò)時(shí)可能出現(xiàn)漏水、漏沙現(xiàn)象，造成地層損失，從而危及樁基安全。

5)盾構(gòu)機(jī)碰撞鉆孔灌注樁:由于盾構(gòu)隧道外輪廓與雨棚鉆孔灌注樁的最小凈距僅為0.84 m，原樁基可能存在施工誤差，盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的掘進(jìn)線路也可能出現(xiàn)偏差，隧道施工過(guò)程中一旦出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)碰撞樁基的事故，將可能造成樁基破壞，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

3 利用數(shù)值模擬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 三維有限元模型的建立

為確定站臺(tái)無(wú)柱雨棚的樁基在地鐵盾構(gòu)下穿鐵路車(chē)站施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)程度，選擇受影響最大的樁基，利用有限元軟件 Geotechnical and Tunnel Analysis System(GTS)建立三維模型進(jìn)行分析。模型沿地鐵隧道縱向(Y 軸)取36 m，深度向(Z 軸)取隧道底面以下40 m，橫向(X 軸)取隧道中心線外30 m。根據(jù)昆明地區(qū)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，模型寬度能夠滿足沉降槽要求。

土體及隧道采用四面體單元;管片和盾構(gòu)機(jī)盾殼采用板單元;樁基采用樁單元，通過(guò)接觸界面與土體相連接。對(duì)隧道、樁基及其周邊圍巖體采用了細(xì)密單元，往外逐步增大，如圖3所示。

盾構(gòu)推進(jìn)采用剛度遷移法［9-11］，每個(gè)開(kāi)挖步為2.40 m，先進(jìn)行盾構(gòu)隧道左線的施工，通過(guò)昆明火車(chē)站后再進(jìn)行右線施工。由于本計(jì)算主要考慮盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中雨棚樁基的變形情況，模型忽略盾構(gòu)機(jī)與周?chē)馏w之間的摩擦作用及盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中的千斤頂壓力。此外，計(jì)算模型假定每根雨棚樁基獨(dú)立承擔(dān)盾構(gòu)施工所導(dǎo)致的變形。

土體本構(gòu)模型采用Drucker-Prager 準(zhǔn)則。根據(jù)有關(guān)詳細(xì)勘測(cè)報(bào)告，土體力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

圖3 三維模型計(jì)算網(wǎng)格

表1 土層力學(xué)參數(shù)表

計(jì)算模型采用位移邊界條件，側(cè)面限制水平位移，底部限制豎直位移，模型上表面取為自由邊界。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

盾構(gòu)隧道左線及雙線貫通后，站臺(tái)無(wú)柱雨棚的樁基所在斷面的豎向位移等值線如圖4所示。可見(jiàn)，地鐵隧道施工導(dǎo)致地層形成明顯的沉降槽，沿著新建地鐵隧道近似對(duì)稱(chēng)分布，與基本規(guī)律吻合。因此，下文將利用數(shù)值結(jié)果，對(duì)站臺(tái)無(wú)柱雨棚樁基的整體沉降、差異沉降及側(cè)向變形進(jìn)行分析。

分別選取左、右樁基承臺(tái)頂部的1 個(gè)節(jié)點(diǎn)，描繪其隨著地鐵隧道盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程的沉降變化趨勢(shì)(如圖5所示)。

圖4 樁基所在斷面豎向變形等值線

圖5 盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)樁基承臺(tái)頂部沉降時(shí)程曲線

左線隧道推進(jìn)過(guò)程中，左、右樁基均發(fā)生沉降且數(shù)值逐漸增大。其中，左樁基最大沉降值達(dá)到8.86 mm;右樁基由于距離左線隧道較遠(yuǎn)，受到左線隧道推進(jìn)的影響小，最大沉降值為6.12 mm。

在右線隧道的推進(jìn)過(guò)程中，左樁基的豎向沉降緩慢增加并基本趨于穩(wěn)定，最終沉降量為10.58 mm;右樁基豎向沉降量則增加明顯，達(dá)到13.66 mm。

假設(shè)除數(shù)值模型中分析的最危險(xiǎn)樁基外，其它位置的樁基均不發(fā)生沉降，則可以認(rèn)為兩相鄰雨棚樁基的最大差異沉降為13.66 mm。

盾構(gòu)隧道左線及雙線貫通后，左樁基和右樁基的側(cè)向變形隨樁深的變化曲線如圖6所示。圖6中，水平位移的正負(fù)與數(shù)值模型的X 軸一致，即正位移表示由左線隧道指向右線隧道方向，負(fù)位移則相反。盾構(gòu)隧道與樁基的位置關(guān)系參見(jiàn)圖2 和圖3。

圖6 樁基側(cè)向變形隨樁深分布曲線圖

由圖6 可知，左右樁基的水平位移均在盾構(gòu)隧道豎向所在位置處達(dá)到最大值。左線盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)左樁基影響較大，最大側(cè)向變形為5.89 mm。右線盾構(gòu)推進(jìn)后，左樁基側(cè)向變形出現(xiàn)小幅度增加，疊加后的最大值為8.27 mm。右樁基側(cè)向變形變化明顯，由-2.69 mm 變化至 10.82 mm。

3.3 變形容許值的確定

目前，地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)相鄰建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響的位移限值尚沒(méi)有明確的規(guī)定。本研究依據(jù)《北京市軌道交通工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系》，并參考昆明、上海、廣州等地的工程實(shí)踐，擬定變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 建(構(gòu))筑物變形容許值

昆明火車(chē)站是我國(guó)西南地區(qū)最大的火車(chē)站，若站臺(tái)無(wú)柱雨棚樁基產(chǎn)生過(guò)大的變形將直接危及鐵路行車(chē)安全，因此，對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)分析采用表1 中重要性等級(jí)為Ⅰ級(jí)的變形控制指標(biāo)。

3.4 盾構(gòu)隧道下穿昆明火車(chē)站施工的樁基風(fēng)險(xiǎn)分析

各風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)其發(fā)生的概率和后果等級(jí)來(lái)確定［12］，如表3所示。風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則如表4所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，盾構(gòu)隧道下穿昆明火車(chē)站過(guò)程中，站臺(tái)無(wú)柱雨棚的樁基最大沉降為13.66 mm，雖未超過(guò)15 mm，但比較接近，該事件可能發(fā)生，故其概率等級(jí)評(píng)定為4 級(jí)。樁間的最大差異沉降為13.66 mm，遠(yuǎn)大于表2 中5 mm 的容許值，雖然實(shí)際上各樁基均有所沉降，其最大值不一定達(dá)到計(jì)算極限值，但差異沉降超容許值的可能性很大，故其概率等級(jí)評(píng)定為5 級(jí)。右樁基水平位移的最大值為10.82 mm，略微超過(guò)了表2 中10 mm，故其概率等級(jí)評(píng)定為4 級(jí)。鑒于目前盾構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、施工技術(shù)的日趨完善，盾構(gòu)穿越粉砂層時(shí)出現(xiàn)較大的漏水漏沙事故為偶然現(xiàn)象，故其概率等級(jí)評(píng)定為3 級(jí)。同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中撞上樁基也不太可能出現(xiàn)，故其概率等級(jí)評(píng)定為2 級(jí)。

由于昆明火車(chē)站的重要性，無(wú)論樁基發(fā)生何種超限值的變形，均可能危及行車(chē)安全而造成重大影響，因此以上風(fēng)險(xiǎn)事件的后果等級(jí)均評(píng)定為4 級(jí)(很?chē)?yán)重)。由此可得盾構(gòu)隧道下穿昆明火車(chē)站站臺(tái)無(wú)柱雨棚的初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如表5所示。

表5 初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

4 降低風(fēng)險(xiǎn)的措施及相關(guān)分析

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的主要技術(shù)措施包括:

1)優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù):在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定推進(jìn)速度、調(diào)整排水量等，盡量做到土倉(cāng)壓力與地壓力的平衡，以減少對(duì)地層的擾動(dòng);要盡快在脫出盾構(gòu)后的襯砌背面環(huán)形建筑空隙中充填足量的漿液材料;在盾構(gòu)后再向襯砌背面進(jìn)行二次注漿或多次注漿，以彌補(bǔ)同步注漿的不足，減小地層損失。

2)提高管片強(qiáng)度，增設(shè)注漿孔:由于昆明火車(chē)站雨棚樁基周?chē)貙硬淮嬖谧{加固條件，而且地鐵隧道與樁基的水平距離很小，因此，在優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)管片的強(qiáng)度;并在盾構(gòu)通過(guò)過(guò)程中在靠近樁基的盾構(gòu)機(jī)側(cè)向增設(shè)注漿孔，以便對(duì)樁基側(cè)向進(jìn)行加固，最大限度地減少盾構(gòu)施工對(duì)樁基所造成的影響。

3)土體改良:盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中通過(guò)加泥漿和泡沫的方法進(jìn)行土體改良。根據(jù)出土的情況，適當(dāng)?shù)丶哟竽酀{的濃度、數(shù)量和一定量的泡沫，以較好地改善土體的流塑性，使得盾構(gòu)前方土壓保持穩(wěn)定，以控制地面的隆陷。

對(duì)采取措施后的盾構(gòu)隧道下穿昆明火車(chē)站施工時(shí)的無(wú)柱雨棚樁基進(jìn)行有限元分析;并根據(jù)隧道的埋深、數(shù)值模型在掌子面施加0.18 MPa 的前倉(cāng)壓力，管片混凝土強(qiáng)度由C45 提高到C50，同時(shí)在隧道周邊形成厚1 m 的注漿層等條件，用彈性材料模擬。現(xiàn)以地鐵隧道雙線貫通時(shí)左、右樁基的側(cè)向變形為例，將采取降風(fēng)險(xiǎn)措施前后的計(jì)算結(jié)果對(duì)比繪于圖7(水平位移正負(fù)號(hào)同圖6)，其余計(jì)算結(jié)果列于表6。

圖7 采取降風(fēng)險(xiǎn)措施前后樁基的側(cè)向變形比較圖

表6 采取降風(fēng)險(xiǎn)措施后地鐵隧道雙線貫通時(shí)的計(jì)算結(jié)果 mm

圖7 及表6 均說(shuō)明了以上降風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)措施能夠有效地控制樁基各項(xiàng)變形，且計(jì)算結(jié)果均在變形容許范圍內(nèi)。因此，再付諸于以下施工安全措施，則可使風(fēng)險(xiǎn)降低到可以接受的水平。

1)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)信息化施工:在盾構(gòu)隧道推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)站臺(tái)無(wú)柱雨棚的樁基變形進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并且將監(jiān)控量測(cè)結(jié)果用于反饋、指導(dǎo)盾構(gòu)施工，以確保盾構(gòu)的順利通過(guò)。

2)盾構(gòu)通過(guò)昆明火車(chē)站前進(jìn)行試驗(yàn):由于盾構(gòu)施工對(duì)站臺(tái)無(wú)柱雨棚樁基的影響，在盾構(gòu)隧道通過(guò)昆明火車(chē)站前先進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)，確保盾構(gòu)機(jī)處于最佳狀態(tài)，并且在盾構(gòu)隧道下穿昆明火車(chē)站過(guò)程中不停機(jī)。

3)盾構(gòu)通過(guò)前對(duì)站臺(tái)無(wú)柱雨棚的樁基進(jìn)行全面排查:在盾構(gòu)隧道通過(guò)前，對(duì)站臺(tái)無(wú)柱雨棚的實(shí)際分布情況進(jìn)行全面排查，同時(shí)在掘進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)觀測(cè)，確保盾構(gòu)機(jī)不會(huì)碰撞站臺(tái)無(wú)柱雨棚的樁基。

4)制定施工應(yīng)急預(yù)案:在盾構(gòu)隧道通過(guò)昆明火車(chē)站雨棚前，施工單位應(yīng)制定應(yīng)急機(jī)制，做出詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案;在盾構(gòu)隧道下穿施工時(shí)應(yīng)保證人員、措施、物資到位，能在任何險(xiǎn)情出現(xiàn)的第一時(shí)間做出有效反應(yīng)，確保不發(fā)生影響昆明火車(chē)站正常運(yùn)營(yíng)的事故。

5 結(jié)語(yǔ)

1)由模擬計(jì)算可知，在盾構(gòu)隧道下穿昆明火車(chē)站站臺(tái)無(wú)柱雨棚期間，由于地層的擾動(dòng)，雨棚的樁基將會(huì)產(chǎn)生整體沉降、差異沉降及側(cè)向變形。其中，最大差異沉降及側(cè)向變形均超過(guò)容許值。

2)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依據(jù)其發(fā)生的概率等級(jí)和后果等級(jí)綜合評(píng)定。研究結(jié)果表明，雨棚樁基的整體沉降、樁間的差異沉降及樁基側(cè)向變形風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“極高”，為此設(shè)計(jì)、施工單位應(yīng)采取措施，將風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的水平。

3)在盾構(gòu)下穿火車(chē)站的施工期間，需要綜合采用優(yōu)化盾構(gòu)參數(shù)、土體改良等技術(shù)措施，以及加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、盾構(gòu)通過(guò)前進(jìn)行試驗(yàn)等施工安全措施。目前，盾構(gòu)隧道已順利通過(guò)昆明火車(chē)站，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算吻合，說(shuō)明了本分析方法的正確性和工程適用性。

4)本文將常規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法與數(shù)值模擬結(jié)合起來(lái)，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿火車(chē)站施工時(shí)站臺(tái)無(wú)柱雨棚樁基的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析，方法簡(jiǎn)單易行，分析結(jié)果能滿足工程需要，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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