大直径泥水盾构近接下穿地铁站台施工工法对站台影响分析

邹坤秘

（中铁二局集团有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

当前，城市地下隧道修建工法主要采取盾构法。由于城市既有建构筑物较多，地面空间利用率较高，在盾构法施工过程中，势必存在近接下穿既有建构筑物的情况。在隧道开挖近接施工情况下，既有构筑物的沉降和变形特性尤为重要，不恰当的施工方法可能会导致既有构筑物出现较大变形和沉降，甚至破坏。因此，研究盾构近接施工对既有建构筑物的影响十分必要。近接施工对既有建构筑物的影响程度与隧道和既有建构筑物的位置关系、既有构筑物的种类有很大关系，在施工中应特别注意[1]。

近年来，针对此问题，有关专家学者做了很多研究。其研究方法主要分为数值模拟方法和理论计算方法。在数值模拟方法方面，毛新颖等[2]利用有限差分方法建立三维有限元模型，研究盾构下穿公路隧道的影响规律。王闯等[3]针对盾构近接桥梁群桩基础施工产生的扰动问题进行分析，采用数值模拟方法，得出分区定量评价方法，有效指导了施工。郑余朝[4]等利用数值模拟方法，建立三管并行隧道近接下穿既有铁路隧道的有限元模型，对地表位移及其控制措施进行了研究。吴全立等[5]针对盾构下穿既有地铁线路问题，结合工程实际，分析盾构在近始发端头的各种难题并采取相应措施，最终顺利通过。徐公文[6]则针对盾构下穿输水暗涵问题进行研究，采用现场试验和数值模拟相结合的方法，得出既有输水暗涵的变形规律，为地表沉降措施提供参考依据。张秋彬等[7]针对地铁下穿既有铁路线路问题，研究了施工参数对既有线路的影响，最终得出了施工参数能够很好地控制变形。高永涛等[8]利用MIDAS数值模拟和现场数据监测相结合的方法研究盾构下穿河流时注浆参数对地表变形的影响规律。马相峰等[9]利用FLAC3D软件对盾构下穿铁路路基工程进行模拟，结合现场监测数据，研究路基的变形规律。杨永平等[10]建立数值模型分析盾构下穿海洋桩基础时桩基的竖直应力和水平应力，并分析近接施工引起的群桩变形。

尽管对于盾构下穿各种既有建构筑物的研究多种多样，但是对于大直径泥水平衡盾构近接下穿车站底板问题却少有人探讨。因此，本文依托成都至浦江铁路紫瑞盾构隧道区间工程，提出泥水盾构超小近距穿越既有地铁站台施工工法，并利用FLAC3D有限元软件建立三维元模型，验证该工法的可操作性和实际效果[11-15]。

1 工程概况

盾构区间正穿地铁5号线车站，盾构下穿5号线车站时需穿越基坑工程桩6根，基坑围护桩14根；工程桩采用玻璃纤维筋灌注桩，在车站施工过程中该部分工程桩已废除，并对底板以下1.5m范围进行凿除，未与车站底板连接；围护桩侵入隧道深度为3.3～4.7m不等，采用玻璃纤维筋，盾构可进行切削[16]。

隧道洞身位于粗圆砾土层。隧道结构外边线距离两侧工程桩距离分别为0.6m及1.5m，距离车站底板垫层底最近距离仅为0.6m。

2 盾构近接施工工法概述

2.1 工艺原理

盾构机在下穿时有4个阶段，分为开挖面前沉降（隆起）控制、通过时沉降（隆起）控制、尾部空隙沉降（隆起）控制和后续沉降控制。通过控制泥浆性能指标、掘进过程中的平衡压力、超挖量、对地层的扰动量等方面保持开挖面的稳定；其次利用足量的同步注浆、径向注浆及二次补浆保证壁后及时填充；以自动化监测为基础，采用信息共享平台，将地面、指挥中心、盾构机操作室、掌子面联动，使信息发布、收集、加工、处理、反馈畅通及时，使地铁运营线路始终处于稳定状态[17]。

2.2 施工工艺流程

超近距离盾构下穿地铁站台施工工法工艺流程如图1所示，主要工序为前期调查及对运营地铁站台安全评估、泥水指标优化、泥水盾构掘进控制，这一步中若监测数据正常则继续完成下穿，若报警则启动应急预案。

图1 施工工艺流程图

2.3 关键施工要点

（1）泥浆指标优化。

高质量的泥膜形成对泥水盾构掘进至关重要，泥膜的形成四要素为：泥水最大粒径、颗粒级配、泥水浓度和泥水压力。要求最优泥浆配比既能保证泥浆有效地在开挖面形成优质泥膜，以维持地层稳定，又能保证有利于切削下来的渣土顺利排出，达到各种指标的平衡点，以满足对地层的适应性。通过现场试验，经过多轮比对确定最优的泥浆配比，最终确定泥浆指标。在试验段的掘进过程中，地面沉降可控，符合控制地层变形的要求。从现场使用来看，进一步降低了堵管堵仓的概率，同时对预防刀盘结泥饼效果显著[18]。

（2）盾构平衡压力设定。

泥水加压式盾构开挖面土体主要依靠泥水压力来平衡开挖面土压力和水压力以获得稳定。泥水压力主要是在掘进中起支护作用。因此设定的开挖仓压力是否准确，直接影响着开挖面的稳定。在盾构穿越地铁运营线路过程中，设定泥水压力变化大致分为三个阶段：穿越前、穿越中以及穿出阶段。

加压的一般标准为0.2kg/cm2，但也有比开挖面状态大的值，一般要根据渗透系数、开挖面松弛状况、渗水量等进行设定。但加压过大，则盾构推力增大和对开挖面的渗透加强，相反会带来塌方、产生对液压器械的影响和造成泥水窜入后方等危害。

（3）同步注浆管理。

在下穿地铁运营线路期间，必须提高同步注浆浆液质量，该工程注浆浆液采用水泥砂浆。同步注浆压力设定为0.3～0.5MPa，穿越时顶部注浆压力不宜大于0.3MPa，并需要根据量测结果进行适当调整。如果注浆压力过大，隧道会受到浆液的扰动，造成地层沉降和隧道本身的沉降，容易引起注浆跑动；若注浆压力过小，注浆充填速度过慢，会使地表变形增大。在注浆量方面，该工程实际的注浆量为理论建筑空隙的150%～200%，即为19.62～26.16m³，穿越时控制在22m³。同时，对浆液凝固速度也有一定要求。穿越时同步浆液初凝时间不得大于3h，终凝时间不得大于8h。

3 数值模拟及分析

3.1 模型的建立

使用Midas GTS NX建立模型并划分网格，再将网格文件导入至FLAC 3D中，完成建模步骤。模型尺寸为：横向75m，竖向54m，纵向100m。盾构外径12.4m，管片环宽0.5m。

神仙树站与紫瑞隧道的位置关系如图2所示。测点布置见图3所示。

图2 隧道下神仙树站模型

图3 测点布置图

3.2 站台变形影响分析

对各地层和车站结构进行参数赋值，施加Z向重力加速度g=9.8m/s2，形成自重应力场如图4所示。

图4 初始平衡自重应力场图

在盾构施工参数中，盾构推力大小直接影响掌子面、上部地层的稳定，尤其是在砂土地层中这种影响更为显著，因此本文研究不同掌子面土压力对车站及板凳桩位移的影响规律。车站下方土体应力水平较低，因此在盾构下穿车站时掌子面土压力分别设置为30kPa、40kPa、50kPa、60kPa。

进行盾构开挖，每次开挖进尺1m，共开挖120步，开挖完成后的Z向位移如图5所示。由图5可知，车站正上方的地表有一定的隆起，而车站前后的地表则发生了沉降。这是由于车站结构刚度远大于地层，并且车站是一个整体的结构，沿横向分布较广，即使车站下方盾构开挖处土体有沉降，但是车站其他部分下卧土体仍能支撑起车站的荷载。

图5 开挖完成Z向位移云图

掌子面土压力为30kPa情况下y=30m处地表沉降曲线如图6所示。由图6可知，最大沉降值随着掌子面土压力的增大而减小。地表沉降最大之处于隧道正上方，沉降值为2.53cm，且在远离隧道位置处有一定的隆起，左侧隆起大于右侧。两侧隆起程度不同，分析认为，这是由于车站先开挖造成土体松动，引起区间附近的土体松动，导致紫瑞隧道在5号线下方掘进引起的两侧位移不等，同时也能说明地下结构物在一定程度上能对地层起到加固作用，减少地表变形[19-20]。

图6 最大沉降值-掌子面土压力关系曲线

地铁车站及板凳桩变形情况放大后如图7所示。由图7可知，车站下部板凳桩受盾构掘进影响，有明显的向两侧扩张的趋势，并且车站左侧有更明显的隆起。

图7 车站位移放大图

隧道右侧及左侧板凳桩的x方向位移如图8、图9所示。由图可知左右侧板凳桩的x方向位移分布基本对称，顶端位移基本为0，在板凳桩上部与隧道平行处有远离隧道方向的位移，而板凳桩下部为满足受力平衡，则发生了与上部相反的位移。由图还可知，板凳桩位移受掌子面土压力影响较大，土压力越大，水平位移越大。另外对比左右侧位移可发现左侧位移明显大于右侧，这是由于隧道右侧设置了两列板凳桩，最右侧的板凳桩对隧道右侧板凳桩的位移产生了一定的限制。

图8 右侧板凳桩x方向位移

图9 左侧板凳桩x方向位移

图10是盾构管片的最大主应力图。由图10可以看出，在车站正下方的管片最大主应力要小于其他位置的最大主应力。这是由于车站下方土体应力水平较低，管片受力较小。

图10 管片最大主应力云图

图11是车站沉降值的数值模拟结果与现场实测值的对比，数值计算结果与现场实测结果基本吻合，车站站台沉降槽形状一致，可以认为数值计算结果可靠。

图11 车站站台沉降数值计算结果

4 结束语

（1）由于车站整体刚度较大，沿横向分布较广，所以出现车站正上方土体隆起而前后土体沉降现象。

（2）车站下部板凳桩受盾构掘进影响，有明显的向两侧扩张的趋势，并且车站左侧有更明显的隆起。

（3）板凳桩位移受掌子面土压力影响较大，土压力越大，水平位移越大。

（4）数值计算表明，由于神仙树地铁站底板与盾构机距离仅有0.6m，所以底板应力状态与盾构机推力高度相关，施工经过底板时应减缓开挖速度，保持掌子面土压力稳定，并及时注浆，另外车站底板的板凳桩起到了很好的保护作用，有效抑制了车站的沉降。

（5）本文所述工法对既有地铁站台影响小，沉降可控并具有操作简单，经济性高的优点。