雷 崇 刁維科

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥第一作者，正高級(jí)工程師)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)隧道下穿既有建(構(gòu))筑物已成為城市建設(shè)中常見(jiàn)的工程問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]以南昌地鐵2號(hào)線下穿南昌火車(chē)站為例，通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算獲得了站房結(jié)構(gòu)易發(fā)生裂損區(qū)域，為后續(xù)相應(yīng)工程提供了參考。文獻(xiàn)[2]以廣州地鐵2號(hào)線下穿廣州火車(chē)站站場(chǎng)為背景，采用地層加固及扣軌輔助方案，連續(xù)、安全、快速地穿過(guò)站場(chǎng)，具有重要的借鑒意義。文獻(xiàn)[3]以貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線下穿貴陽(yáng)火車(chē)站售票廳及行包房工程為背景，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)下穿段地應(yīng)力及區(qū)間隧道開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行研究，并采取各種有效安全措施，保證了工程順利實(shí)施。

以上成果對(duì)相關(guān)研究具有重要借鑒意義。但既有相關(guān)研究中針對(duì)盾構(gòu)隧道正下穿國(guó)鐵站房的相關(guān)研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[4]以優(yōu)化露空長(zhǎng)度為目標(biāo)，采用有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道下穿站房基礎(chǔ)等沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，并針對(duì)減少施工沉降問(wèn)題提出了諸多優(yōu)化方案，但其尚未介紹站房結(jié)構(gòu)安全分析及相應(yīng)的加固方案。為保證盾構(gòu)隧道順利下穿以及站房安全可靠，本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了站房基礎(chǔ)存在既有沉降、站房無(wú)加固時(shí)，由盾構(gòu)下穿引起的站房基礎(chǔ)沉降及站房上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，以及不同站房加固方案對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化等問(wèn)題；提出了新增樁基+預(yù)應(yīng)力梁的加固方案，為后續(xù)類(lèi)似工程提供一定的參考與借鑒。

1 工程概況

合肥軌道交通1號(hào)線三期工程起點(diǎn)為合肥站站，終點(diǎn)為天水路站，其中瑤海公園站—合肥站站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“瑤合區(qū)間”)為單洞單線圓形隧道，采用盾構(gòu)法施工，管片內(nèi)徑為5.4 m，壁厚為0.3 m。區(qū)間隧道覆土厚為11.9～18.5 m，主要穿越硬塑黏土層，正下穿合肥站站房公共區(qū)，下穿距離約為100 m。在隧道下穿及強(qiáng)影響范圍內(nèi)分布獨(dú)立基礎(chǔ)32座，人工挖孔擴(kuò)底墩基23座，其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 瑤合區(qū)間下穿工程概況圖Fig.1 Overview of the Yao-He interval under-crossing project

合肥站為樞紐內(nèi)主要客站，始建于1997年，站房為2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要為獨(dú)立基礎(chǔ)和局部墩基礎(chǔ)，站房使用期間未進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。2010年對(duì)站房部分梁、板、柱等作無(wú)損切割、開(kāi)洞、植筋、粘鋼、混凝土封閉等綜合處理；完成改擴(kuò)建后，站房面積擴(kuò)大31%。2016年站房再次改造時(shí)，將地面出站廳改造為地下出站，與南廣場(chǎng)地下?lián)Q乘廳順接。

2 盾構(gòu)下穿施工對(duì)既有國(guó)鐵站房的影響

地層損失率是指盾構(gòu)施工時(shí)，單位長(zhǎng)度土體損失量與土體實(shí)際開(kāi)挖體積的比值，綜合反映盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)同步注漿的及時(shí)性和填充率，以及施工管理質(zhì)量、技術(shù)水平、工藝等因素對(duì)地面沉降的影響[5]。在數(shù)值分析中，用地層損失率來(lái)模擬上述影響，以體現(xiàn)不同的盾構(gòu)施工水平。本文采用MIDAS/GTS軟件對(duì)3‰、4‰、5‰地層損失率盾構(gòu)下穿引起的站房基礎(chǔ)沉降進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)試算，按5‰地層損失率進(jìn)行控制，站房基礎(chǔ)沉降偏大，對(duì)應(yīng)站房加固措施的工期、造價(jià)和影響較大，不滿足實(shí)際要求；按3‰地層損失率進(jìn)行控制，站房加固的工期、造價(jià)和影響大大降低?？紤]保留一定安全冗余，確保萬(wàn)無(wú)一失，本文重點(diǎn)分析4‰地層損失率工況，其他兩種工況作為類(lèi)比進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 建立模型

根據(jù)隧道與站房之間的相互關(guān)系，建立地層結(jié)構(gòu)模型，模型尺寸為：130 m(長(zhǎng))×200 m(寬)×50 m(高)，如圖2所示。站房部分僅體現(xiàn)框架柱及其基礎(chǔ)，將站房上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為集中荷載作用在框架柱頂。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Computational model

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。

2.3 計(jì)算分析

根據(jù)實(shí)際工程施工工序，模擬過(guò)程如下：

1) 設(shè)定邊界及初始條件，計(jì)算初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，模型位移清零。

2) 盾構(gòu)作業(yè)主要步序：①開(kāi)挖。通過(guò)“鈍化”一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)范圍內(nèi)的隧道土體單元模擬隧道開(kāi)挖；②支護(hù)。開(kāi)挖后，“激活”盾殼支護(hù)單元，同時(shí)給開(kāi)挖面施加面壓力，以保持盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定；同時(shí)在盾尾“激活”一個(gè)管片長(zhǎng)度的管片和等代層單元，以模擬盾構(gòu)管片拼裝及同步注漿過(guò)程；滯后3環(huán)管片，調(diào)整等代層參數(shù)模擬注漿材料硬化。③重復(fù)開(kāi)挖、支護(hù)步序，直至完成整個(gè)盾構(gòu)隧道的貫通。

表1 土體計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of soil mass

2.4 結(jié)果分析

受篇幅限制，此處僅展示站房基礎(chǔ)豎向位移。雙線隧道貫通后站房基礎(chǔ)沉降值如圖3所示。由圖3可知，雙線隧道貫通后，站房基礎(chǔ)最大沉降為7.07 mm，發(fā)生在左右線中間且基底荷載大的基礎(chǔ)上。地層損失率為3‰、4‰和5‰條件下的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖3 雙線隧道貫通后站房基礎(chǔ)沉降值

表3 不同地層損失率下隧道施工對(duì)站房基礎(chǔ)影響統(tǒng)計(jì)表

3 站房加固方案

3.1 建立模型

由于站房使用期間未進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，采用分層總和法計(jì)算站房基礎(chǔ)的既有沉降值，根據(jù)基底附加應(yīng)力的不同，沉降計(jì)算深度影響范圍為7～13 m。計(jì)算結(jié)果表明，一般相鄰柱間沉降差為0～4 mm，局部大跨區(qū)域(24 m跨)最大沉降差為0～10 mm，既有沉降計(jì)算滿足規(guī)范要求。

利用YJK軟件建立合肥站站房主體結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖4所示(不含站房獨(dú)立基礎(chǔ))。輸入前文計(jì)算的站房基礎(chǔ)既有沉降與盾構(gòu)下穿引起的附加沉降，計(jì)算站房結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，并研究相應(yīng)加固方案。本文以4‰地層損失率為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，其他兩種工況(3‰地層損失率和5‰地層損失率)作為類(lèi)比進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 站房主體結(jié)構(gòu)三維示意圖Fig.4 3D schematic diagram of station building main structure

3.2 計(jì)算分析

合肥站為兩層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，按照最新規(guī)范校核，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，站房上部結(jié)構(gòu)較大范圍出現(xiàn)構(gòu)件承載力不足。B-Ⅲ 區(qū)(標(biāo)高7.790 m)、B-Ⅱ 區(qū)(標(biāo)高7.790 m)、C-Ⅰ 區(qū)(標(biāo)高3.770 m、7.970 m、12.500 m)存在框架梁、柱配筋不足情況。以B-Ⅲ 區(qū)為例進(jìn)行分析，對(duì)比配筋與原結(jié)構(gòu)實(shí)際配筋計(jì)算結(jié)果(標(biāo)高7.970 m)如圖5所示(本工程基于相對(duì)標(biāo)高為零開(kāi)展工作，對(duì)應(yīng)吳淞高程絕對(duì)標(biāo)高30.400 m)。

圖5 B-Ⅲ區(qū)計(jì)算配筋與原結(jié)構(gòu)實(shí)際配筋對(duì)比(標(biāo)高 7.970 m)

圖6 站房基礎(chǔ)加固示意圖Fig.6 Schematic diagram of station building foundation reinforcement

3.3 加固方案

針對(duì)站房上部結(jié)構(gòu)的部分梁頂、梁底及柱出現(xiàn)配筋不足的情況，同時(shí)考慮到B-Ⅱ 區(qū)、C-Ⅰ 區(qū)的梁柱構(gòu)件在站改時(shí)已加固補(bǔ)強(qiáng)，無(wú)法二次加固提高構(gòu)件承載力，經(jīng)多次試算，本文提出采用樁基+預(yù)應(yīng)力梁方案對(duì)部分沉降大的站房框架柱進(jìn)行加固處理，將站房框架柱用預(yù)應(yīng)力梁采取植筋的方式連接。梁高為1 500～1 800 mm，梁寬為900～2 000 mm，埋深為0.2 m，采用C40混凝土；新增鉆孔灌注樁樁徑為800 mm，單樁承載力特征值為3 000 kN，樁端進(jìn)入持力層不小于1.0 m，如圖6所示。地層損失率為3‰、4‰和5‰時(shí)，所對(duì)應(yīng)的站房加固方案如表4所示。

表4 不同地層損失率下站房加固方案統(tǒng)計(jì)表

3.4 加固方案驗(yàn)證

基于所提加固方案，采用Plaxis 3D軟件對(duì)盾構(gòu)下穿引起的站房基礎(chǔ)沉降進(jìn)行驗(yàn)證。以4‰地層損失率為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，其他兩種工況(3‰地層損失率和5‰地層損失率)作為類(lèi)比進(jìn)行對(duì)比分析。首先進(jìn)行樁基施工(有鋼護(hù)筒護(hù)壁，不考慮縮孔影響)，然后進(jìn)行梁(筏板)施工，最后進(jìn)行盾構(gòu)施工模擬。具體施工步驟為：①加固鉆孔樁施工，②基坑開(kāi)挖，③梁(筏板)施工及覆土回填，④～⑩右線盾構(gòu)施工，～左線盾構(gòu)施工。

圖7 考慮加固措施下的雙線隧道貫通后站房基礎(chǔ)沉降值Fig.7 Foundation settlement value after double track tunnel penetration considering reinforcement measures

計(jì)算模型與圖2相似，此處不再贅述?？紤]加固措施下的雙線隧道貫通后站房基礎(chǔ)沉降值如圖7所示。由圖7可知，考慮加固措施后，對(duì)站房上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大的框架柱沉降得到明顯抑制，同時(shí)對(duì)附近的框架柱沉降也有改善，站房基礎(chǔ)差異沉降滿足0.001L(L為相鄰柱距)的控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于部分跨度較大的轉(zhuǎn)換梁，采用預(yù)應(yīng)力起拱，以增加其剛度。此方法可精準(zhǔn)將所加固的框架柱沉降控制在2 mm以內(nèi)，可進(jìn)一步確保站房結(jié)構(gòu)的安全。

綜合考慮站房基礎(chǔ)既有沉降和盾構(gòu)下穿引起的附加沉降，當(dāng)?shù)貙訐p失率為4‰時(shí)，采用樁基+預(yù)應(yīng)力梁的加固方案能確保站房結(jié)構(gòu)安全，其相較于地層損失率為3‰的工況，保留了一定的安全冗余；其相較于地層損失率為5‰的工況，有效縮短了工期，降低了造價(jià)及對(duì)站房的影響。因此推薦4‰地層損失率工況的樁基+預(yù)應(yīng)力梁加固方案。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 盾構(gòu)隧道正下穿及強(qiáng)影響范圍內(nèi)分布站房獨(dú)立基礎(chǔ)共55個(gè)，最小豎向凈距僅為5.79 m，站房使用期間沒(méi)有沉降監(jiān)測(cè)，站房健康狀況未知，站房使用期間進(jìn)行過(guò)2次改造，部分上部結(jié)構(gòu)已進(jìn)行過(guò)加固，無(wú)法通過(guò)二次加固提高其承載力，加固設(shè)計(jì)難度大，下穿施工風(fēng)險(xiǎn)高。

2) 將盾構(gòu)施工對(duì)站房的影響分兩部分進(jìn)行分析，以地面為界，先分析站房基礎(chǔ)的既有沉降及附加沉降，再分析基礎(chǔ)沉降所引起的站房結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化及其相應(yīng)的加固措施，并獲得相關(guān)結(jié)論。

3) 系統(tǒng)地分析了3‰、4‰、5‰這3種地層損失率工況下的站房加固方案，得出4‰地層損失率所對(duì)應(yīng)的加固方案是合理可行的。在盾構(gòu)施工期間，按3‰地層損失率進(jìn)行施工控制，預(yù)留一定安全余量，確保站房安全萬(wàn)無(wú)一失。

4) 本工程為全國(guó)首例地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道近距離正下穿未預(yù)留條件的站房公共區(qū)，盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)大、難度高。本文通過(guò)大量調(diào)研及嚴(yán)密分析論證，創(chuàng)新性地提出采用樁+預(yù)應(yīng)力梁的方式精準(zhǔn)加固影響站房上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要框、架、柱等結(jié)構(gòu)，在確保安全性與經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，有效降低對(duì)既有站房的影響，為類(lèi)似工程提供借鑒與參考。