新管幕通道施工方法对既有线路影响模拟分析

雷升祥,丁正全,李秀东,李 盛

(1. 中国铁建股份有限公司, 北京 100855;2. 中铁十四局集团有限公司, 山东 济南 250101)

在社会经济稳步发展的背景下,我国城市人口倍增,为了缓解地面交通的压力,给城市居民出行提供便利,城市地下通道的建设被许多城市提上日程.但是开挖地下通道难免会影响地面既有建筑结构,尤其是穿越既有轨道工程,更是作为特级环境风险工程来对待.

目前,穿越既有线路的通道工程研究主要集中于施工工艺和技术运用方面.文献[1]结合地下工程近距离穿越轨道交通施工技术,介绍了盾构法、暗挖法和托换法的建设特点和适用条件及施工的代表性实例;文献[2-3]结合隧道工程,介绍了盾构穿越轨道交通线时地下区间施工所采取的施工技术和措施;文献[4]通过数值模拟提高侧墙连续开孔综合开发车站的抗震能力,通过微扰动技术解决盾构区间穿越机场主跑道等难题;文献[5-9]结合实际工程研究暗挖法施工技术及安全措施,为暗挖法的施工提供了可靠的参考.研究表明,前人已经对穿越既有线路通道工程的施工技术进行了大量研究,但对于通道工程施工对既有线路的影响研究相对较少.本文结合实际工程,应用离散元FLAC3D仿真软件对通道施工中站内轨道及相邻雨棚基础沉降进行研究.

1 工程概述

迎泽大街下穿通道工程是迎泽大街东延的控制性工程,是太原市向东拓展的主通道之一.本次施工范围为迎泽大街下穿太原火车站段,起点为建设路,终点为火车站东广场.下穿段分南线、北线两孔下穿火车站,北线车行通道长228 m,南线车行通道长235 m.

通道垂直穿过火车站,站内有站台4座,南北两侧各建有雨棚柱,其中,北侧有5组,南侧有10组.北线车行通道从车站第2组至第3组无柱雨棚之间下穿,南线车行通道从车站第10组至第11组无柱雨棚之间下穿,不拆除无柱雨棚.下穿通道始发井设于火车站东侧的空地上,接收井设于基本站台处.详细通道水平面图如图1所示.

图1 通道水平面图

在通道开挖的过程中,北线车行通道以广场西侧为起点,开始以明挖方式沿5.78%的坡度开挖97.5 m,接着以管幕暗挖方式沿0.3%的坡度继续向前开挖125.5 m,达通道最低点,随后以4.955%的坡度向上开挖,接东广场道路,北线车行通道纵断面图如图2(a)所示.南线车行通道以广场西侧为设计起点,在明挖段沿5.519%坡度向下开挖102 m,接着在管幕暗挖段沿0.3%的坡度向下开挖128 m,抵达最低点后沿4.629%的坡度向上开挖至东广场道路,南线车行通道纵断面图如图2(b)所示.

(a) 北线车行通道

整条通道为两孔双向8车道,采用3.5 m×2+3.25 m×2的车道组合,行车通道净高5.0 m,总宽15 m,其横断面图见图3.

图3 通道横断面图(mm)

2 施工流程

该地区位于黄土高原,地下土主要以黄土为主,土质均匀、土体松散,土层厚度达到30 m.上层覆盖有一定厚度的人为填土,主要以建筑垃圾、黄土及少量碎石为主,土体松散、土层较薄,整个场地均有揭露.新管幕法适用于钢管顶进施工的所有松散地层,故本工程采用该方法进行施工,具体施工流程为:

1) 在顶管施工前,从地面完成第一次注浆工作,注浆面如图4所示,用地面渗透注浆的方式,注浆材料为水泥浆,水灰比1∶1,注浆孔以梅花形进行布设,间距为1.5 m,注浆扩散半径为0.8 m,注浆压力采用0.2～0.5 MPa.

(a) 钢管与管栅布设

(a) 结构图

2) 修建始发、接收工作井,并完成工作井主体结构.如图4所示,在工作井内沿顶层、底层钢管分别设一排φ180@300 mm管棚,管棚与钢管的净距不小于300 mm.在工作井内把拟建结构的横断面作为工作面,沿结构横断面轮廓线平行于轴线方向按顺序分多段顶进直径2 m的钢管,最终形成管排.钢管顶进的顺序为先下后上间隔交替进行.一号顶管机顶进次序为A14、A16、A15、A18、A17、A20、A19、A2、A1、A3;二号顶管机顶进次序为A12、A13、A10、A11、A8、A9、A6、A7、A4、A5.

3) 切割相邻钢管的邻接部位,用钢板将相邻钢管进行横向焊接.如图5所示,钢管切割、支护施工按照分层、分段施工,沿竖向分为上、中、下三层结构.出于安全考虑,纵向上钢管结构切割以及支护要分段进行.要求轨下段5～6 m、非轨下段8～9 m,按间距1.2 m布置支撑柱,并与横向钢板焊接.

4) 如图6所示,进行钢筋绑扎与混凝土浇筑,形成永久的主体结构.主体结构施工同样按照分层、分段施工,为减少施工次数,轨下段每次浇筑5～6 m、非轨下段每次浇筑8～9 m.

图6 结构钢筋绑扎与混凝土浇筑施工图

5) 如图7所示,在完成的结构内进行土方开挖,开挖后再补强注浆,接着切割侧向拱肋,内部装修并铺设路面,最终整个隧道完工.

图7 土体补强注浆(mm)

3 既有线路的影响分析

3.1 通道相对位置

车行通道管幕采用φ2 m钢管,壁厚20 mm.钢管设置位置:车行通道顶、底板处14根,侧墙各3根,间距150～200 mm.车行通道管幕与基础最小间距为1.35 m,通道顶距轨面高度为3.6～3.9 m.详细位置标注见图8.

图8 通道位置标注(mm)

3.2 模型建立与参数选取

为了研究该通道施工对火车站轨道及雨棚柱桩基的影响,利用有限差分软件FLAC3D建立如图9所示模型,模拟钢管顶进和中间土体开挖后轨道沉降变形及下穿通道施工完后雨棚柱桩基的水平位移和竖向位移.边界条件:四周约束法向位移,底部位移全约束,其余不约束.

图9 模型图

在此次仿真中，土层按弹塑性材料考虑,触变泥浆、钢管和雨棚柱基础为线弹性模型,各材料参数见表1.

表1 材料参数

3.3 结果分析

1) 轨道沉降.钢管顶进后轨道沉降变形如图10所示.由图10可知,土体位移变化以两通道为中心向四周呈U形扩散.在通道上方,当钢管顶进时,土体向下沉降,轨道产生向下的位移,且越接近通道中心轴线位移越大,当到通道中心轴线时位移为6.8 mm.在通道下方,随距通道距离的增大,土体位移由下沉逐渐转变为微小的上移状态,且距离越大上移值越大,最大为0.26 mm.在通道内,土体受压向下沉降,位移以同心圆方式向通道中心减小.通道中土体开挖后轨道沉降变形如图11所示.由图11可知,土体最大沉降发生在北侧行车道中心轴线处,轨道最大竖向位移为15.2 mm.在通道底部,出现呈U形的向上位移,最大位移为10.5 mm,位于北侧行车道底部中心处,随距通道距离的增大,沉降逐渐趋向于0沉降.

图10 钢管顶进轨道沉降变形(m)

图11 中间土体开挖后轨道沉降变形(m)

2) 雨棚柱桩基础位移.太原站改造后采用无柱雨棚,管幕段钢管距离雨棚柱最小净距为1.35 m.雨棚采用双柱钢结构,各无柱雨棚基础下设4根直径500 mm预应力管桩,桩长23 m.通道施工完成后桩基水平位移变化如图12所示.由图12可知,左侧桩基础顶部出现最大的向左水平位移1.45 mm;中间桩基础顶部出现最大的向右水平位移1.43 mm;右侧桩基础几乎不发生水平位移.通道施工完成后桩基水平位移变化如图13所示.由图13可知,左侧桩基础除在承台与基础处竖向位移稍大外,其余部位几乎不发生竖向位移;中间桩基础顶部竖向位移较小,基础下端最大向上的竖向位移为2.46 mm;右侧桩基础整体竖向位移基本相等,为0.42 mm.

图12 下穿通道施工完成后桩基水平位移(m)

图13 下穿通道施工完成后桩基竖向位移(m)

4 结论

针对太原市迎泽大街下穿火车站通道施工对既有线路的影响,本文利用离散元FLAC3D软件进行数值模拟,研究了通道施工过程中轨道的沉降变形和雨棚柱桩基础位移变化,得出结论:

1) 新管幕法具有扰民程度相对较小、安全性高、社会效益好、不影响地面交通等优点,可以运用小口径顶管技术制造大截面地下施工空间,适用于城市环境下浅埋软围岩施工;

2) 通道施工会导致既有线路的沉降变化,轨道在钢管顶进及土体开挖后最大沉降量分别为6.8 mm、15.2 mm,可见随着施工不断推进,由钢管顶进到土体开挖,轨道的沉降逐渐变大,雨棚柱在通道施工完成后最大水平位移和竖向位移分别为1.45 mm、2.43 mm,可见雨棚柱的竖向位移比水平位移大;

3) 为了确保施工过程中既有线路的稳定性,必须对施工过程进行实时监测,同时采取相应加固措施,以达到其正常的使用功能.