新管幕通道施工方法對既有線路影響模擬分析

雷升祥,丁正全,李秀東,李 盛

(1. 中國鐵建股份有限公司, 北京 100855;2. 中鐵十四局集團有限公司, 山東 濟南 250101)

在社會經濟穩步發展的背景下,我國城市人口倍增,為了緩解地面交通的壓力,給城市居民出行提供便利,城市地下通道的建設被許多城市提上日程.但是開挖地下通道難免會影響地面既有建筑結構,尤其是穿越既有軌道工程,更是作為特級環境風險工程來對待.

目前,穿越既有線路的通道工程研究主要集中于施工工藝和技術運用方面.文獻[1]結合地下工程近距離穿越軌道交通施工技術,介紹了盾構法、暗挖法和托換法的建設特點和適用條件及施工的代表性實例;文獻[2-3]結合隧道工程,介紹了盾構穿越軌道交通線時地下區間施工所采取的施工技術和措施;文獻[4]通過數值模擬提高側墻連續開孔綜合開發車站的抗震能力,通過微擾動技術解決盾構區間穿越機場主跑道等難題;文獻[5-9]結合實際工程研究暗挖法施工技術及安全措施,為暗挖法的施工提供了可靠的參考.研究表明,前人已經對穿越既有線路通道工程的施工技術進行了大量研究,但對于通道工程施工對既有線路的影響研究相對較少.本文結合實際工程,應用離散元FLAC3D仿真軟件對通道施工中站內軌道及相鄰雨棚基礎沉降進行研究.

1 工程概述

迎澤大街下穿通道工程是迎澤大街東延的控制性工程,是太原市向東拓展的主通道之一.本次施工范圍為迎澤大街下穿太原火車站段,起點為建設路,終點為火車站東廣場.下穿段分南線、北線兩孔下穿火車站,北線車行通道長228 m,南線車行通道長235 m.

通道垂直穿過火車站,站內有站臺4座,南北兩側各建有雨棚柱,其中,北側有5組,南側有10組.北線車行通道從車站第2組至第3組無柱雨棚之間下穿,南線車行通道從車站第10組至第11組無柱雨棚之間下穿,不拆除無柱雨棚.下穿通道始發井設于火車站東側的空地上,接收井設于基本站臺處.詳細通道水平面圖如圖1所示.

圖1 通道水平面圖

在通道開挖的過程中,北線車行通道以廣場西側為起點,開始以明挖方式沿5.78%的坡度開挖97.5 m,接著以管幕暗挖方式沿0.3%的坡度繼續向前開挖125.5 m,達通道最低點,隨后以4.955%的坡度向上開挖,接東廣場道路,北線車行通道縱斷面圖如圖2(a)所示.南線車行通道以廣場西側為設計起點,在明挖段沿5.519%坡度向下開挖102 m,接著在管幕暗挖段沿0.3%的坡度向下開挖128 m,抵達最低點后沿4.629%的坡度向上開挖至東廣場道路,南線車行通道縱斷面圖如圖2(b)所示.

(a) 北線車行通道

整條通道為兩孔雙向8車道,采用3.5 m×2+3.25 m×2的車道組合,行車通道凈高5.0 m,總寬15 m,其橫斷面圖見圖3.

圖3 通道橫斷面圖(mm)

2 施工流程

該地區位于黃土高原,地下土主要以黃土為主,土質均勻、土體松散,土層厚度達到30 m.上層覆蓋有一定厚度的人為填土,主要以建筑垃圾、黃土及少量碎石為主,土體松散、土層較薄,整個場地均有揭露.新管幕法適用于鋼管頂進施工的所有松散地層,故本工程采用該方法進行施工,具體施工流程為:

1) 在頂管施工前,從地面完成第一次注漿工作,注漿面如圖4所示,用地面滲透注漿的方式,注漿材料為水泥漿,水灰比1∶1,注漿孔以梅花形進行布設,間距為1.5 m,注漿擴散半徑為0.8 m,注漿壓力采用0.2～0.5 MPa.

(a) 鋼管與管柵布設

(a) 結構圖

2) 修建始發、接收工作井,并完成工作井主體結構.如圖4所示,在工作井內沿頂層、底層鋼管分別設一排φ180@300 mm管棚,管棚與鋼管的凈距不小于300 mm.在工作井內把擬建結構的橫斷面作為工作面,沿結構橫斷面輪廓線平行于軸線方向按順序分多段頂進直徑2 m的鋼管,最終形成管排.鋼管頂進的順序為先下后上間隔交替進行.一號頂管機頂進次序為A14、A16、A15、A18、A17、A20、A19、A2、A1、A3;二號頂管機頂進次序為A12、A13、A10、A11、A8、A9、A6、A7、A4、A5.

3) 切割相鄰鋼管的鄰接部位,用鋼板將相鄰鋼管進行橫向焊接.如圖5所示,鋼管切割、支護施工按照分層、分段施工,沿豎向分為上、中、下三層結構.出于安全考慮,縱向上鋼管結構切割以及支護要分段進行.要求軌下段5～6 m、非軌下段8～9 m,按間距1.2 m布置支撐柱,并與橫向鋼板焊接.

4) 如圖6所示,進行鋼筋綁扎與混凝土澆筑,形成永久的主體結構.主體結構施工同樣按照分層、分段施工,為減少施工次數,軌下段每次澆筑5～6 m、非軌下段每次澆筑8～9 m.

圖6 結構鋼筋綁扎與混凝土澆筑施工圖

5) 如圖7所示,在完成的結構內進行土方開挖,開挖后再補強注漿,接著切割側向拱肋,內部裝修并鋪設路面,最終整個隧道完工.

圖7 土體補強注漿(mm)

3 既有線路的影響分析

3.1 通道相對位置

車行通道管幕采用φ2 m鋼管,壁厚20 mm.鋼管設置位置:車行通道頂、底板處14根,側墻各3根,間距150～200 mm.車行通道管幕與基礎最小間距為1.35 m,通道頂距軌面高度為3.6～3.9 m.詳細位置標注見圖8.

圖8 通道位置標注(mm)

3.2 模型建立與參數選取

為了研究該通道施工對火車站軌道及雨棚柱樁基的影響,利用有限差分軟件FLAC3D建立如圖9所示模型,模擬鋼管頂進和中間土體開挖后軌道沉降變形及下穿通道施工完后雨棚柱樁基的水平位移和豎向位移.邊界條件:四周約束法向位移,底部位移全約束,其余不約束.

圖9 模型圖

在此次仿真中，土層按彈塑性材料考慮,觸變泥漿、鋼管和雨棚柱基礎為線彈性模型,各材料參數見表1.

表1 材料參數

3.3 結果分析

1) 軌道沉降.鋼管頂進后軌道沉降變形如圖10所示.由圖10可知,土體位移變化以兩通道為中心向四周呈U形擴散.在通道上方,當鋼管頂進時,土體向下沉降,軌道產生向下的位移,且越接近通道中心軸線位移越大,當到通道中心軸線時位移為6.8 mm.在通道下方,隨距通道距離的增大,土體位移由下沉逐漸轉變為微小的上移狀態,且距離越大上移值越大,最大為0.26 mm.在通道內,土體受壓向下沉降,位移以同心圓方式向通道中心減小.通道中土體開挖后軌道沉降變形如圖11所示.由圖11可知,土體最大沉降發生在北側行車道中心軸線處,軌道最大豎向位移為15.2 mm.在通道底部,出現呈U形的向上位移,最大位移為10.5 mm,位于北側行車道底部中心處,隨距通道距離的增大,沉降逐漸趨向于0沉降.

圖10 鋼管頂進軌道沉降變形(m)

圖11 中間土體開挖后軌道沉降變形(m)

2) 雨棚柱樁基礎位移.太原站改造后采用無柱雨棚,管幕段鋼管距離雨棚柱最小凈距為1.35 m.雨棚采用雙柱鋼結構,各無柱雨棚基礎下設4根直徑500 mm預應力管樁,樁長23 m.通道施工完成后樁基水平位移變化如圖12所示.由圖12可知,左側樁基礎頂部出現最大的向左水平位移1.45 mm;中間樁基礎頂部出現最大的向右水平位移1.43 mm;右側樁基礎幾乎不發生水平位移.通道施工完成后樁基水平位移變化如圖13所示.由圖13可知,左側樁基礎除在承臺與基礎處豎向位移稍大外,其余部位幾乎不發生豎向位移;中間樁基礎頂部豎向位移較小,基礎下端最大向上的豎向位移為2.46 mm;右側樁基礎整體豎向位移基本相等,為0.42 mm.

圖12 下穿通道施工完成后樁基水平位移(m)

圖13 下穿通道施工完成后樁基豎向位移(m)

4 結論

針對太原市迎澤大街下穿火車站通道施工對既有線路的影響,本文利用離散元FLAC3D軟件進行數值模擬,研究了通道施工過程中軌道的沉降變形和雨棚柱樁基礎位移變化,得出結論:

1) 新管幕法具有擾民程度相對較小、安全性高、社會效益好、不影響地面交通等優點,可以運用小口徑頂管技術制造大截面地下施工空間,適用于城市環境下淺埋軟圍巖施工;

2) 通道施工會導致既有線路的沉降變化,軌道在鋼管頂進及土體開挖后最大沉降量分別為6.8 mm、15.2 mm,可見隨著施工不斷推進,由鋼管頂進到土體開挖,軌道的沉降逐漸變大,雨棚柱在通道施工完成后最大水平位移和豎向位移分別為1.45 mm、2.43 mm,可見雨棚柱的豎向位移比水平位移大;

3) 為了確保施工過程中既有線路的穩定性,必須對施工過程進行實時監測,同時采取相應加固措施,以達到其正常的使用功能.