既有运营车站注浆加固及顶管下穿变形控制研究

云强

（中铁建华南建设有限公司，广东 广州 510000）

随着城市间的交通枢纽日益增多，在既有运营车站下穿现象也越来越多。文献[1]提出了数值模拟控制方法，该方法构建了一种能全面反映隧道开挖中近程和远程条件的岩层变形预测模型。采用数值模拟分析地层变形演变规律，将盾构施工距离状态临界作为判据，控制车站变形程度，然而该方法对于变形控制定量标准没有针对性研究，无法精准确定既有结构变形允许范围。文献[2]提出了实测耦合作用变形控制方法，该方法利用Plaxis 软件模拟流固耦合作用下盾构施工所引起的地表沉降变化规律，将其与实际情况相比，确定耦合影响最大的主应力分布区域，以此为依据控制车站变形。由于工程周围环境复杂，使得不同操作项目存在一定特殊性，无法对所有操作区域进行统一控制管理。为此，提出了既有运营车站注浆加固及顶管下穿变形控制研究。使用MIDAS/GTS 软件数值模拟下穿施工过程，结合超前注浆加固技术、顶管法控制车站变形。

1 工程概况

以某市已经运营的双轨地铁车站为研究对象，通过对城市轨道交通系统的分析，建立了城市轨道交通系统的规划模型，为城市轨道交通系统的建设提供了理论依据。按照城市铁路网络的布局，南站开通运行后，将下穿南站盾构隧道、土体、既有列车南站、桩基四大要素构成一个整体，四者交互作用，使得既有南站受到附加应力影响，出现了沉降现象。在车辆行驶时，会使桩基础产生变形和内力的改变，从而使桩基础与上部结构产生相互作用[3]。为此，南站在初期规划阶段，既要为5号线区段中的盾构隧道预留后续建设空间，又要针对后续建设对车站地基造成的不良冲击进行合理的处理，进而提出相应的防治对策。

2 既有运营车站注浆加固及顶管下穿变形控制

2.1 盾构区间下穿施工数值模拟

本次模型的上界为地面，纵向长度为65 m，与新建的隧道250 m 平行。当上界处于自由状态时，其它5个面的法方向变形均受限。在数值模拟时，针对不同的材料采用了相应的本构关系[4]。对于不同层次的土壤，采用了摩尔-库仑与线性弹性相结合的方法来解决。用二维板元来模拟混凝土和盾构管片，用等效板元来模拟灌浆为了更真实地反映出在隧道内的荷载、位移以及在隧道内的动力特性。

模拟施工过程可分成4 个阶段：首先要根据基础的重力场及边坡的情况来调整基础的位移[5-6]。之后在平台上，挖掘出平台的地基，构建出平台的主要结构，并将其整体移走[7]。从西向东的盾构洞施工，按照每次进尺，先在左边进行第一次基坑施工，并及时支护。再在右线进行了基础工程的建设，计算出了在建设期间需要增加的衬砌面积，直到完工为止。

2.2 基于三维荷载结构法的车站受力状态分析

在实际应用中，由于基础不均衡的差异，会给已建建筑带来额外的内力，从而对其承载能力和耐久性造成不利的影响[8]。针对这一问题，本项目拟建立一套在地基位移作用下的控制性准则解析法，利用地基位移的改变来推断框架的应力状况，从而判定框架的力学性质及耐久性，并反演框架的容许变形。充分考虑车站结构三向应力情况，在站台底部的纵截面上，底部的纵截面上应力会小于理论上计算结果[9]。通过对三维荷载结构进行有限元数值模拟，得到了该工程中地基变形的容许数值。在地基变形后，对建筑的底板和底部纵梁的受力产生较大影响，尤其在底部纵梁位置出现了不均匀沉降。

2.3 超前注浆加固控制

为了确保在建设项目的后续下穿时安全，在地铁5号线的初期设计阶段，对5 号线与11 号线相交部位地层进行加固控制处理[10]。在隧道中，对刀盘前的上部的土体，采用2～3m 的盖层，在2～3m 的区域，进行了提前灌浆，形成洞顶上部非开挖区域的固结帷幕，每次加固后掘进完成6m 再进行下一循环超前注浆加固。在加固过程中，浆液压力将会造成对既有车站构造产生影响，使其变形，在对既有车站进行注浆强化后竖向产生沉降，水平方向向中心靠拢，最后都会达到一个相对稳定的状态，变形量相对于竖向较小。

2.4 顶管法下穿结构安全控制

顶管结构使用了实体元素进行模拟，根据现实工程情况来进行管节长度计算，在相邻的管节连接处，采用非耦合的方式进行构建，仅对沿顶管顶板中线的单元节点中坐标重合的两个节点进行了位移自由度耦合，并对其两边施加了一个横向的变形限制。当主顶油缸的推力达原设计值40～60%时，可以增设一次顶油缸，此后当原顶油缸的推力达原设计值70～80%时，可以再增设一次顶油缸；当中继油压系统、主顶油压系统的油压达到80%后，才可启动中继间。对于有外施工的已建顶管隧洞，在受外工程的作用下，按表2 取值接缝张开量和极限曲率半径。外部施工影响下既有顶管接缝张开量可选取2.5mm，变形引起的曲率半径应大于12000m。

3 既有运营车站安全性评价

3.1 评价模型

为了降低边界效应的干扰，将模拟的计算区域按照左右边界与隧道的埋深之间的3～5 倍来进行分析，因此，该区域的整个计算模型的大小为150 m×150 m×70 m，既有运营车站整体模型如图1 所示。

图1 既有运营车站整体模型

此次的计算是按照实际工况模拟的，模拟步骤为：首先对现有的和新的两个站点进行了换向清理，再对两个站点的两端进行加强，最后由东至西，全长25 个环。

3.2 监测点布置

南站穿越5 号线，在区间掘进及工作坑开挖过程中，会对既有线路造成不同程度的干扰。为了保证轨道的正常运行，在盾构机的推动和基础施工过程中，对车站进行全程监测，监测点位置和编号如图2 所示。

图2 监测点布置示意图

观测点则是重点测量地下通廊底板、地下通廊桩基、站房及平台本体上的上浮与垂直变形，以此来更好地展现地下通廊底板下面的土体沉降、底板脱空以及桩基变形程度，并以此来说明本项目在时间紧迫的情况下，确定桩-筏基及二次追踪注浆法的可行性。

3.3 评价结果与分析

既有运营车站盾构区间下穿整体变形云图，如图3所示。

图3 既有运营车站盾构区间下穿整体变形云图

将图3 作为判断依据，分别使用数值模拟控制方法、实测耦合作用变形控制方法和所研究控制技术，对比分析既有运营车站盾构区间下穿整体变形云图。为了进一步验证所研究技术合理性，对比分析三种方法底纵梁变形程度是否与实际沉降量一致，如表1 所示。

表1 不同方法底纵梁变形程度/mm

由表1 可知，使用数值模拟控制方法与实际沉降量之间存在最大的误差为5mm，使用实测耦合作用变形控制方法与实际沉降量之间存在最大的误差为3mm，使用所研究控制技术与实际沉降量之间存在最大的误差为1mm。

4 结论

通过三维有限元分析和控制方法，验证了既有运营车站注浆加固及顶管下穿变形控制研究的有效性，确保了工程顺利进行，并得到如下结论：盾构区间下穿既有运营车站变形控制前，通过构建下穿施工过程数值模拟模型，参考相关标准，初步确定既有运营车站结构发生不均匀沉降位置；采用三维荷载结构模型分析接触面受力状态，满足结构极限状态受力要求；通过超前注浆加固技术和顶管法，控制既有运营车站变形，并通过实验验证了所研究技术的有效性。