地铁车站施工对邻近构筑物安全影响分析与评价*

周利梅

(重庆电讯职业学院,重庆 402247)

1 引言

随着城市建设的不断扩张,导致地面道路交通状况也越来越差,为了缓解地面交通设施压力,越来越多的地铁、隧洞被开发利用[1]。城市地铁施工由于施工周期长且多处于城市繁华地带而多以浅埋暗挖为主[2]。由于周边环境复杂且有较密集的管线构筑物等,地铁施工会引起地表构筑物产生不同程度沉降变形,大大威胁到地铁施工以及地表构筑物安全[3]。因此,当地铁施工开挖时如何保证地表构筑物的安全一直是诸多学者、专家关注的焦点。张永兴、郭海柱、栾长青等[4-6]利用室内模型试验对围岩支护结构受力特点进行分析,得出地下支护与地表沉降的规律,提出了隧洞失稳判定依据。朱才辉等[7]系统总结了各类地铁诱发地表最大沉降量的公式以及适用范围,为后续类似工程引发地表沉降的预测提供了科学参考。鞠鑫、蒋彪等[8-9]针对隧道盾构施工对地表构筑物变形影响展开研究并推导出地表变形公式,得出支护参数合理的取值范围。陈甦、易领兵、葛大庆、徐慧宇等[10-13]利用数值分析软件对城市地铁施工对地表沉降的影响进行数值分析。本文依托工程实例并利用数值模拟及现场监测两种手段针对车站施工过程中主要风险点对附近构筑物影响展开分析。

2 工程概况及参数选择

2.1 工程概况

某地铁车站主体施工位置处于地面一公路和立交桥正下方,车站西侧端头位于该立交C匝道边缘且距离C匝道桥中心线纵向距离约16.5 m,车站西侧端头距路面道路中线横向距离约42 m;车站南侧边线距A匝道桩基最小水平横向距离约4 m,车站拱顶距桩底最小竖直距离约为9 m。车站有效站台中心里程为YDK44+540.217,起点里程为YDK44+418.217,终点里程为YDK44+627.217,全长209 m。车站隧道拱顶覆盖地层大致为21 m。主体结构外包尺寸为209 m(长)×22 .6 m(宽)。

该地铁施工具有1个主要的风险工程点,该风险工程点具体描述见表1。

2.2 结构与力学参数选择

根据地勘资料,场地出露地层自上而下分别为第四系全新统人工填土和粉质粘土,下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组砂岩和砂质泥岩;主体隧道穿过Ⅳ级围岩地区,车站主体结构所在地层主要为砂质泥岩、砂岩互层;车站长209 m,车站隧道开挖施工支护参数如表2所示。依据场地岩土工程勘察报告中的岩石、土体材料力学参数,并结合地铁、公路相关设计规范,选取的围岩物理、力学参数和支护结构物理、力学参数如表3、表4所列。

表1 风险工程点

表2 支护参数表

表3 穿越地层地质参数

3 安全影响分析

3.1 模型建立

本文采用Flac3D软件进行分析,该软件运用有限差分法在工程领域进行精准有效的分析,为诸多复杂条件下模拟分布开挖、非线性问题以及大变形、大应变等有限元程序都无法模拟的难题提供帮助。如图1所示为地铁车站施工主要危险点计算模型,其中取仰拱底中点为模型的中心点。竖直由下至上方向为Z正方向,模型底面取值为Z=-24 m而模型顶面取至地表处;隧道施工开挖前进方向为Y负方向,Y向值取为Y=60 m,因临时施工通道位于Y=24 m,故开挖起点为y=24 m;水平向右为X正向,结合设计图纸考虑隧道施工对地面构筑物的影响范围以及为排除边界效应对结果的干扰,模型左、右两侧分别取X=-51.3 m、X=51.3 m。本文土层采用Mole-Coulomb弹塑性模型并用三维六面体单元进行模拟,初期支护、钢支撑采用实体单元而二次衬砌采用梁单元且三者均采用弹性单元来模拟,锚杆运用杆单元模拟。模型X=±51.3 m边界约束水平位移而Z=-24 m边界约束竖向位移,模型地表处道路路面全范围施加方向向下的均布荷载10.5 kN/m2,根据《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)公路I级荷载取路面均布荷载10.5 kN/m2。

图1 地铁施工主要危险点计算模型

3.2 施工过程模拟

该隧道拱顶距地面距离很小,施工开挖采用如图2所示的左右两侧导坑施工与台阶法相配合的工法,支护参数设计见表4。根据图2所示的施工顺序共分11步进行开挖与支护,其中施工第11步施作二次支护使衬砌结构封闭成环。模型计算时按图2所示施工工序以每3 m一个循环共取24 m进行开挖与支护,每一个循环分10小步共计80个小步。其中每一个循环开挖至第9步时认为是隧道开挖至风险最大的步况,此时隧道仰拱、二衬还没有开始施工,但隧道内部的临时支护均已卸除。

表4 支护结构物理、力学参数

图2 地铁车站施工工序图

3.3 隧道开挖力学行为分析

3.3.1 地铁车站开挖位移分析

表5、图3为三个典型断面分别为Y=2 m(第八循环)、Y=11 m(隧道掘进中间位置截面)、Y=20 m(初始掘进循环,与立交桥距离最近)不同开挖时步下位移特征值,图4表达了隧道开挖第五循环施工9步时的全域竖向、水平位移变化特性,可以看出隧道在掘进过程中拱顶位置处产生的竖向位移最大而两侧腰部位置产生的水平位移最大;由表5、图3还可看出位移随着隧洞不断向前掘进而逐渐增大但前期增长不明显,位移大幅度增长主要集中在施工第9时步(最不利工况)完成后,其竖向、水平位移变化值占全部位移的90%以上,而二次衬砌施作后位移基本不再变化。

表5 典型断面不同掘进时步下全域位移特征值

从整体来看,施工完成后竖向位移变化最大处发生在断面位置Y=2 m处隧道拱顶上方且其值为-7.18 mm,一直向上呈漏斗状延伸约4 m高,此处对应的路面沉降为-3.5 mm;水平位移变化最大处发生在隧道两侧腰部且值为2.64 mm,此时隧道施工收敛位移值为5.22 mm。

3.3.2 地铁车站开挖应力分析

图5表达了隧道开挖进行到第五个循环第9步时的最大、最小主应力分布图,图6为开挖完成后计算区域围岩塑性区发展图,表7为不同开挖时步下各代表性断面的最大、最小主应力及剪切应力量值。

图3 断面Y=20 m、Y=11 m、Y=2 m处竖向位移随施工时步变化图

图4 第五循环y=11 m施工9步竖向(左)、水平(右)位移图

图5 第五循环y=11 m施工9步最大主应力(左)、最小主应力(右)示意图

如图5、表6所示,隧道开挖至第五循环第9时步时最大主应力中最大受压主应力主要分布在隧道的拱腰位置,在隧道拱底位置产生了一小块拉应力区域。当车站建成后该断面位置的最大、最小主应力分布与最不利状态时发生了较大的变化,最大受压大主应力仍主要集中于隧道结构拱腰位置,但其值有所增长(从1.0 MPa增长到1.11 MPa),最大受拉大主应力主要分布于隧道拱顶及拱脚结构外侧,但其值亦有所增长(从0.7 MPa增长到1.2 MPa);从最小主应力图来看,最小主应力有明显的向隧道衬砌结构转移的趋势,这样的增长与二衬混凝土施作有直接关系,这是由于二衬钢筋混凝土结构的刚度与承载力足以支撑大部分荷载。

图6显示地下结构开挖施工结束后,计算模型整个区域出现两大部分塑性区域,第一处位于隧道拱腰两侧正上方区域,尺寸大致为高7 m、宽10 m;第二处位于隧道拱底下方并呈条状分布,其高度约为8 m。这两块塑性区几乎是分部开挖进行中产生屈服的,而在施工结束后整个区域几乎没有产生塑性屈服,仅在隧道拱脚位置出现一小块面积的塑性区。由此可见,隧道在掘进过程中对附近岩体的扰动影响很小,整个岩体处于安全可控范围中。

表6 典型挖掘时步下的围岩特征值表

图6 开挖结束后计算区域塑性分布图

3.4 路面及立交桩基变形监测数据分析

3.4.1 变形控制指标

综合考虑本工程施工特点以及周边道路通行要求,本文依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2012)、《公路桥涵地基和基础设计规范》(JTG D63-2007)以及《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-2005)相关规定,选用变形控制指标如下:开洞地基基础附加沉降值限制取15 mm,倾斜控制仍采用基础规范相关规定,为相邻基础沉降差0.002L,基础沉降差控制量为5 mm;桥梁墩台均匀总沉降值不大于2.0L,相邻墩台的不均匀沉降差不大于1‰。(注:L 为相邻墩台间最小跨径长度,以m计。跨径小于25时仍以25计算。)

3.4.2 监测数据分析

为观测隧道掘进对上方路面、立交的安全影响针对关键部位进行了变形监测。图7为路面、立交桥桩基监测点布置平面图,图8、图9分别为路面、立交桥桩基监测点竖向位移变化图,表7为路面、立交桥关键监测点竖向位移值。

图7 路面、立交桥桩基主要监控点布置图

图8 路面监测点竖向位移变化图

图9 立交桥桩基监测点竖向位移变化图

图8 、表7显示,每次开挖后竖向位移都会出现突变,这与实际开挖卸荷后导致围岩的变形相一致。隧道施工完毕后处于隧洞正上方路面形成的最终下沉值为3.15 mm,路面的沉降量大小与距离隧道远近成正比,距离隧道较远两侧路面的沉降差为0.07 mm,相对不均匀沉降比为0.01‰。图9、表7显示,隧道开挖完成后,立交桥桩基的最大沉降值为1.5 mm,位移沉降值相对较大的桩基有h23、h24、h13、h27,分别离车站开挖比较近。总体来说,车站施工时对临近立交桥桩基的影响比较小,立交桥总体处于安全状态。车站隧道拱顶部位变形最大且最大变形沉降值为5.73 mm,拱腰两侧位移上升但上升值不足1 mm,而隧道拱顶位置正上方路面为路面最大变形沉降处且变形值为3.15 mm,说明结构整体沉降变形小,结构以及上方路面处于安全范围内。

表7 路面、立交桥桩基监测点竖向位移值

4 结论

本文依托工程实例并利用数值分析及现场检测两种手段针对车站施工过程中主要风险点进行安全影响分析,分析结果显示,地铁车站隧道掘进施工对地表路面及附近立交等构筑物安全影响较小,由于开挖施工所产生的应力、位移均在风险控制范围内,表明该工程在现设计施工方法、施工工艺、支护参数条件下进行施工,以及后期建成运营对地表周边环境的影响较小,道路结构和路面处于安全范围内。为降低地铁施工安全风险同时保证车站与周围环境的安全与使用功能,应提高地铁车站施工安全标准,针对既有通道、桥梁结构等关键结构编制专项施工组织方案,制订监控量测方案和应急预案,保证地铁结构及基坑的安全。