王 祥， 陳發(fā)達(dá)， 徐 文， 劉 凱， 吳賢國(guó)， 陳 彬

(1. 貴陽(yáng)城市軌道交通有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550091；2. 信陽(yáng)師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；3. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

由于隧道開挖工程的施工復(fù)雜性和環(huán)境特殊性，在施工過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生底層損失、擾動(dòng)、固結(jié)沉降等一系列可導(dǎo)致施工區(qū)域底層發(fā)生變形的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致上方火車站站房樁基及站場(chǎng)既有鐵路隨之發(fā)生移動(dòng)或變形。因此，站場(chǎng)鐵路和站房樁基基礎(chǔ)變形是下穿新建工程修筑過程中需要控制的關(guān)鍵[1]。

近年來，一批學(xué)者基于具體工程實(shí)例研究隧道開挖對(duì)既有火車站站房樁基或鐵路的影響，熊巨華等[2]討論了6種因素對(duì)鄰近單樁豎向受力特性的影響規(guī)律；喬世范等[3]基于隨機(jī)介質(zhì)理論推導(dǎo)出隧道開挖引起的地表及巖土體移動(dòng)和變形的一般公式；孫慶等[4]通過離心機(jī)試驗(yàn)研究了粘土中隧道開挖對(duì)樁基的瞬時(shí)和長(zhǎng)期影響；楊永威[5]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段對(duì)盾構(gòu)開挖引起的地表沉降與對(duì)臨近樁基的影響進(jìn)行了研究；覃林[6]基于數(shù)值仿真分析方法探討了邊坡與隧道變形的相互作用機(jī)理，評(píng)估了在隧道開挖前邊坡的整體穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)了邊坡在隧道開挖后的變形和受力規(guī)律；朱逢斌[7]研究了地鐵隧道開挖對(duì)側(cè)向群樁工作性狀的影響，提出減小或消除地鐵隧道施工對(duì)鄰近樁基及建筑物影響的具體措施；Mahmoudi等[8]采取數(shù)值反分析方法確定隧道施工過程中土體的變形；曹志勇等[9]進(jìn)行了盾構(gòu)隧道穿越建筑物的建筑物變形控制與預(yù)測(cè)研究；Yang等[10]研究了雙線盾構(gòu)隧道施工工藝對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響；黎春林等[11]研究了盾構(gòu)隧道施工臨近建筑物風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法；宮志群等[12]研究了基坑及隧道群施工對(duì)鄰近建筑物的疊加影響；田曉艷等[13]提出了隧道開挖對(duì)建筑物條形基礎(chǔ)效應(yīng)的簡(jiǎn)化解析解。當(dāng)前研究大多采用定性方法分析盾構(gòu)下穿對(duì)臨近建筑的影響或提出控制措施，沒有考慮建筑及其內(nèi)部荷載在施工期間的同步影響，無法提供定量的建筑沉降量進(jìn)而提出有針對(duì)性的控制措施。

本文擬采用數(shù)值模擬方法，對(duì)貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線第七工作段火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間下穿貴陽(yáng)火車站站房及站場(chǎng)施工的安全性影響評(píng)估，綜合考慮巖土的自重應(yīng)力、站場(chǎng)列車荷載和站房荷載，對(duì)開挖過程和支護(hù)進(jìn)行了模擬，預(yù)測(cè)項(xiàng)目暗挖區(qū)間的開挖對(duì)站場(chǎng)鐵路及站房樁基的影響程度及可能帶來的危害，從而對(duì)施工方案提出合理性意見。

1 工程概況

火車站站―沙沖路站區(qū)間位于南明區(qū)，是雙洞單線結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)925.411 m，其中左隧道下穿站房(售票廳及行包房)段長(zhǎng) 55 m，下穿站場(chǎng)(客運(yùn)站臺(tái)及股道)段長(zhǎng) 127.779 m，右隧道下穿站房(售票廳及行包房)段長(zhǎng)55 m，下穿站場(chǎng)(客運(yùn)站臺(tái)及股道)段長(zhǎng)128.811 m。從平面上看，火車站站―沙沖路站區(qū)間隧道與火車站售票廳及行包房平面夾角約 72.5°，拱頂埋深為16 m。從縱斷面上看，區(qū)間拱頂距站場(chǎng)地面高差為22 m。根據(jù)火車站站房竣工資料，火車站站―沙沖路站區(qū)間隧道與站場(chǎng)平面位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 火車站站―沙沖路站區(qū)間隧道與站場(chǎng)平面位置關(guān)系

擬建區(qū)間隧道處于貴陽(yáng)溶蝕盆地北側(cè)，此次工程建設(shè)區(qū)域在城市的中心區(qū)域，場(chǎng)地周圍布滿建筑物以及相應(yīng)的構(gòu)筑物，施工較難進(jìn)行。據(jù)相關(guān)資料知：ZDK26+143.2―ZDK26+300 段覆蓋層為塊石層與紅粘土層，下伏基巖為松子坎二段白云巖。本區(qū)間隧道勘察期間未見大面積地表積水。綜上所述，工程區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)地地下水和土對(duì)混凝土及混凝土中鋼筋具有微腐蝕性。因?yàn)榈囟挝恢貌煌讓訁^(qū)域的差異，會(huì)導(dǎo)致不同的賦水性，尤其在巖溶地區(qū)更為突出，這種地段區(qū)域分布更加不規(guī)律。為有效控制圍巖變形，減小圍巖松動(dòng)范圍，根據(jù)地質(zhì)及斷面，設(shè)計(jì)中火車站站―沙沖路站區(qū)間隧道下穿站房段采取的施工方法為全斷面開挖，下穿站場(chǎng)段采用的施工方法為“一步一回頭”上下臺(tái)階法。

2 工程施工數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬過程中建模及參數(shù)選擇

本研究為了簡(jiǎn)化模型建立與分析計(jì)算提出了以下假設(shè)：(1) 火車站站―沙沖路站區(qū)間施工中沒有地震發(fā)生；(2)對(duì)于初始地應(yīng)力分析，忽略地下水的作用，只計(jì)算現(xiàn)有建筑物以及巖體的自重應(yīng)力；(3)假定火車站站―沙沖路站區(qū)間支護(hù)結(jié)構(gòu)和站房樁基基礎(chǔ)為線彈性材料；(4)考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時(shí)間效應(yīng)；(5)為簡(jiǎn)化計(jì)算假設(shè)為理想塑性圍巖。

2.1.1 模型建立

模型計(jì)算采用有限差分計(jì)算軟件FLAC3D，建立三維實(shí)體模型。因?yàn)楸竟こ袒驹谝粋€(gè)半無限的地層中，所以基本不考慮邊界效應(yīng)的作用，評(píng)估中所采用的模型尺寸為：長(zhǎng)(x向)×寬(y向)×高(z向)=100 m×180 m×50 m，整體模型如圖 2所示，站房樁基基礎(chǔ)與區(qū)間隧道相對(duì)位置關(guān)系如圖 3所示。

圖2 數(shù)值模擬整體模型/m

圖3 站房樁基基礎(chǔ)與區(qū)間隧道相對(duì)位置關(guān)系

用一個(gè)三維六面體的體單元來模擬分析此次工程中的巖土體，在此次隧道工程的模擬過程中，共有214809個(gè)節(jié)點(diǎn)、227091個(gè)單元。

2.1.2 巖土體本構(gòu)關(guān)系

此次模擬計(jì)算中的模型使用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則(圖4)，該準(zhǔn)則對(duì)于分析對(duì)象的屈服同時(shí)考慮了剪應(yīng)力以及法向正應(yīng)力[14]，在這種準(zhǔn)則下進(jìn)行計(jì)算，得出的屈服表達(dá)式為：

圖4 莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則

τn=-σntanφ+c

(1)

式中：τn為破壞面上的剪應(yīng)力；σn為破壞面上的法向正應(yīng)力；φ，c分別為材料的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

由三角函數(shù)計(jì)算可知：

(2)

令φ=0，則有：

σ1-σ3=2c

(3)

將式(3)寫成屈服函數(shù)的形式，則為：

f=0.5(σ1-σ3)+0.5(σ1+σ3)sinφ-ccosφ

(4)

2.1.3 計(jì)算參數(shù)的選取

在整體計(jì)算模型中，使用位移邊界條件，此次模型中，采用豎向約束來表達(dá)其底面，采用法向約束來表達(dá)其周圍一圈的區(qū)域。在此次模型計(jì)算中，巖土層計(jì)算參數(shù)的選取結(jié)果如表1所示。

表1 巖土層計(jì)算參數(shù)

2.2 下穿段地應(yīng)力與區(qū)間開挖支護(hù)模擬

2.2.1 原始地應(yīng)力模擬

依據(jù)貴陽(yáng)軌道交通 1 號(hào)線火車站站―沙沖路站地質(zhì)縱斷面圖中地層巖性分布，在土層參數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，得出巖土自重應(yīng)力場(chǎng)，最終結(jié)果如圖5所示。

圖5 原始地應(yīng)力豎向應(yīng)力云圖

2.2.2 考慮站場(chǎng)列車荷載后地應(yīng)力模擬

列車荷載是列車對(duì)路基作用的一種描述，考慮到列車荷載作用的長(zhǎng)期效果，本研究忽略列車荷載的周期性變化，并基于列車荷載的特點(diǎn)及鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范，采用“中—活載”的 計(jì)算方法將其簡(jiǎn)化為恒定的靜載，并換算成具有一定高度和分布寬度的土柱[15]。在數(shù)值模擬時(shí)，將該等效土柱換算成等效應(yīng)力作用在路堤表面。不變的靜載，換算成具有一定高度和分布寬度的土柱。在數(shù)值模擬時(shí)，將該等效土柱換算成等效應(yīng)力作用在路堤表面。站場(chǎng)列車荷載后地應(yīng)力豎向應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 考慮站場(chǎng)列車荷載后地應(yīng)力豎向應(yīng)力云圖

2.2.3 考慮站房荷載后地應(yīng)力模擬

為了更加真實(shí)地模擬區(qū)間隧道施工前的地應(yīng)力情況，本研究除了充分考慮巖土體在自重情況下的應(yīng)力場(chǎng)、站場(chǎng)股道上的列車荷載，還考慮了作用在站房樁基上的荷載。鑒于無法準(zhǔn)確測(cè)試出作用在站房樁基上的應(yīng)力，若忽略貴陽(yáng)火車站售票廳與行包房上部結(jié)構(gòu)的荷載，將低估下穿區(qū)間隧道開挖所引起的樁基變形，從而降低樁基的安全性。因此，從安全角度考慮，對(duì)于未列出相應(yīng)樁基數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，計(jì)算時(shí)按照同類樁基同等對(duì)待的原則進(jìn)行處理。待樁基頂面施加對(duì)應(yīng)荷載且地應(yīng)力穩(wěn)定后，提取出此時(shí)地應(yīng)力豎向應(yīng)力云圖，如圖7所示。

圖7 考慮站房荷載后地應(yīng)力豎向應(yīng)力云圖

2.2.4 暗挖區(qū)間開挖與支護(hù)模擬

模擬貴陽(yáng)市軌道交通 1號(hào)線第七工作段火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間下穿火車站站房及站場(chǎng)段區(qū)間隧道開挖與支護(hù)，采用上臺(tái)階(全斷面)每一榀鋼架進(jìn)行一個(gè)循環(huán)，然后利用空模型進(jìn)行模擬開挖這一步驟，開挖之后開始進(jìn)行支護(hù)，在模擬支護(hù)中采用實(shí)體單元進(jìn)行，這兩個(gè)步驟間相隔的時(shí)間利用時(shí)步在模型中進(jìn)行模擬。從 465個(gè)開挖循環(huán)中提取出12個(gè)典型工況來研究貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間的施工對(duì)火車站站場(chǎng)鐵路的影響。暗挖施工區(qū)間與滬昆鐵路交叉點(diǎn)示意圖如圖8所示。

圖8 暗挖區(qū)間與滬昆鐵路交叉點(diǎn)示意

2.3 暗挖區(qū)間下穿站場(chǎng)段施工影響分析

2.3.1 交叉點(diǎn)處沉降隨暗挖區(qū)間開挖過程的變化

隨著貴陽(yáng)市軌道交通 1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間的逐步開挖，貴陽(yáng)火車站站場(chǎng)的路基沉降慢慢變大，從圖9可以看出，待暗挖區(qū)間二次襯砌結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，最終在交叉點(diǎn)一處的沉降最大值是 1.90 mm；交叉點(diǎn)二處的沉降最大值為 1.77 mm；交叉點(diǎn)三處的沉降最大值為2.41 mm；交叉點(diǎn)四處的沉降最大值為2.38 mm，均滿足貴陽(yáng)市軌道交通 1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間下穿站場(chǎng)段既有鐵路變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 交叉點(diǎn)處路基沉降隨開挖變化情況

2.3.2 路基縱向沉降槽

為了全面地了解貴陽(yáng)市軌道交通 1號(hào)線火車站站―沙沖路站隧道暗挖施工區(qū)域?qū)σ呀ê玫牡厣翔F路產(chǎn)生的各種影響，不僅要考慮各個(gè)交叉點(diǎn)位置的沉降情況，還要分析相應(yīng)路基的縱向沉降，因此從 465個(gè)開挖循環(huán)中提取出暗挖區(qū)間左、右洞二次襯砌對(duì)于施工完畢后滬昆鐵路上/下行線的縱向沉降值(沿鐵路線方向)，繪出路基縱向沉降槽如圖10所示。

由圖10可以看出：在貴陽(yáng)市此段軌道交通暗挖工程施工完成之后，附近已修好的滬昆鐵路沉降的縱向分布可在圖中顯現(xiàn)，其基本是一條正態(tài)分布曲線，這和之前Peck研究分析得出的地表沉降槽變化規(guī)律是一致的。沉降影響范圍約為-50～50 m，滬昆鐵路上行線沉降最大值發(fā)生在暗挖區(qū)間左右洞中線處，為2.87 mm；滬昆鐵路下行線沉降最大值也發(fā)生在暗挖區(qū)間左右洞中線處，為2.39 mm；均滿足貴陽(yáng)市此段隧道暗挖區(qū)域下穿既有鐵路的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 暗挖區(qū)間施工完畢后滬昆鐵路上/下行線縱向沉降槽

3 施工安全控制措施及實(shí)施效果

3.1 施工安全控制措施

眾所周知，地下近接施工過程會(huì)引起鄰近圍巖或土體的應(yīng)力重分布，進(jìn)而引起地層變形，而鐵路軌道及樁基基礎(chǔ)對(duì)于變形非常敏感，因此地表沉降及樁基變形往往是下穿段施工關(guān)注的重點(diǎn)。雖然計(jì)算分析滿足安全要求，但針對(duì)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，采取了如下措施：

(1)開展既有結(jié)構(gòu)狀況調(diào)查。在工程施工前，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)查，收集貴陽(yáng)火車站售票廳及行包房的設(shè)計(jì)及工程相關(guān)資料，確定關(guān)鍵構(gòu)件及結(jié)構(gòu)，并統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)病害，如結(jié)構(gòu)開裂、漏水等，做好記錄。施工過程中重點(diǎn)觀察關(guān)鍵和已有病害結(jié)構(gòu)，在變形過大時(shí)，停止施工并實(shí)施管控措施保證結(jié)構(gòu)安全方可繼續(xù)施工。

(2)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)禁爆破開挖。研究結(jié)果表明，此段下穿暗挖工程會(huì)對(duì)既有樁基和鐵路產(chǎn)生一定程度的影響，為保證鐵路運(yùn)營(yíng)及樁基結(jié)構(gòu)安全，在隧道與滬昆鐵路交叉點(diǎn)前后(沿鐵路方向)各40 m范圍，加強(qiáng)既有鐵路及周圍地表沉降的監(jiān)控量測(cè)；在建筑的四角、大轉(zhuǎn)角及沿外墻每10～15 m處或樁基上布置監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)既有建筑物沉降及傾斜的觀測(cè)，并建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)的應(yīng)急方案和工程措施。此外，除了在下穿段采用機(jī)械開挖方式外，在鄰近下穿段且火車通過時(shí)嚴(yán)禁爆破開挖。

(3)注漿加固。鑒于數(shù)值模擬中的巖土體與實(shí)際圍巖可能存在離散性，應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)超前支護(hù)的質(zhì)量，施工前可以通過洞內(nèi)預(yù)注漿來加固填充破碎巖體的裂隙，提高加固區(qū)圍巖的自承載力，進(jìn)而減小洞內(nèi)變形；施工時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)洞內(nèi)變形較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)站房樁基進(jìn)行注漿加固，使其與周圍圍巖密貼，減少應(yīng)力集中及樁基變形。

(4)加強(qiáng)管理及聯(lián)系。貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間下穿貴陽(yáng)火車站站房及站場(chǎng)段施工時(shí)，施工單位應(yīng)加強(qiáng)內(nèi)部管理，在施工前后保持與鐵路管護(hù)部門的聯(lián)系，共同協(xié)商進(jìn)行隧道超前支護(hù)、施工管控和應(yīng)急處理工作，遵從鐵路有關(guān)規(guī)定，以確保施工。

3.2 實(shí)施效果

(1)地表或路基沉降

隨著貴陽(yáng)市軌道交通 1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間的逐步開挖，貴陽(yáng)火車站站場(chǎng)的地表沉降逐漸增大，待二次襯砌結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，交叉點(diǎn)一～四處的沉降最大值依次分別為1.61，1.90，2.27，2.34 mm。同時(shí)貴陽(yáng)市軌道交通 1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間的開挖所引起的滬昆鐵路上/下行路基縱向沉降槽中最大沉降值為2.74 mm，滿足貴陽(yáng)市軌道交通 1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間下穿貴陽(yáng)車站站場(chǎng)段既有鐵路變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)樁基豎向沉降

相對(duì)來說，樁基和附近土體在通常情況下都有較大的軸向剛度，所以樁基的豎向變形在各個(gè)位置都不明顯，樁基最大豎向沉降發(fā)生在D-22號(hào)樁基，為4.89 mm；相鄰樁基間的最大差異沉降發(fā)生在D-22與D-24之間(兩者中心間距為14.55 m)，為4.316 mm；滿足貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間下穿貴陽(yáng)火車站站房段既有樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)暗挖區(qū)間修建安全性

貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線火車站站―沙沖路站暗挖區(qū)間施工完畢之后，暗挖區(qū)間左洞二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在拱頂處，其值為5.74，滿足TB 10003—2018《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》抗裂安全系數(shù)2.4的要求；暗挖區(qū)間右洞二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值也出現(xiàn)在拱頂處，其值為6.21，也高于TB 10003—2018《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》抗裂要求的2.4。

5 結(jié) 論

(1)采用FLAC3D有限差分軟件，綜合考慮巖土的自重應(yīng)力、站場(chǎng)列車荷載和站房荷載，對(duì)貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線火車站站―沙沖路站段暗挖區(qū)間下穿貴陽(yáng)火車站站房及站場(chǎng)施工進(jìn)行安全性影響評(píng)估，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)下穿近接施工時(shí)與鐵路交叉點(diǎn)的最大沉降為2.41 mm，路基最大沉降為2.87 mm，符合施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)由于地下近接施工過程會(huì)引起鄰近圍巖或土體的應(yīng)力重分布，而鐵路軌道和樁基對(duì)于變形非常敏感，為確保變形可控，基于數(shù)值模擬結(jié)果，針對(duì)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，采取如下安全控制措施：開展既有結(jié)構(gòu)狀況調(diào)查；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)；嚴(yán)禁爆破開挖；注漿加固；加強(qiáng)管理及聯(lián)系。

(3)工程實(shí)施后，下穿近接的滬昆鐵路最大沉降值為2.74 mm，樁基最大豎向沉降為 4.89 mm，相鄰樁基間的最大差異沉為4.316 mm，與模擬結(jié)果接近且均符合相關(guān)變形控制標(biāo)準(zhǔn)；暗挖區(qū)間左洞、右洞二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值均出現(xiàn)在拱頂處，其值為 5.74，6.21，符合相關(guān)規(guī)范要求，可為類似工程項(xiàng)目提供借鑒。