随着城市地下轨道交通的大规模建设, 新建地铁线路穿越既有线的交叉换乘问题越来越多, 其中, 新建线路区间隧道采用盾构法施工下穿既有地铁车站时, 形成“T”形换乘站形式。在该类型穿越工程中, 采取合理的技术措施确保盾构隧道下穿施工过程中将既有运营地铁车站的沉降变形控制在安全限值范围内是核心技术问题。

通常的做法是, 提前将地铁穿越区域一定范围内的地层进行地层全断面门式预加固, 通过提高地层刚度的方法来减少盾构施工对既有车站结构的扰动。但是, 由于注浆在地层中的渗透、扩散过程极为复杂, 注浆效果很难达到理想状态。因此, 通过注浆加固地层、提高地层抗变形能力的方法具有较大的施工风险。为此, 北京近年来出现了一种考虑盾构下穿变形控制, 即在既有地铁车站结构底板施工前事先设置预埋桩基的新型地下结构, 如北京房山线区间盾构隧道下穿既有地铁车站, 当盾构隧道下穿预埋桩基上方的地铁结构时, 既有车站与预埋桩基形成稳定可靠的传力体系, 可将盾构施工扰动引起的附加荷载通过桩基传至深部土层, 大大减少既有车站结构的沉降变形。但是, 该种预埋桩基主动变形控制技术的相关理论研究缺乏, 相关工程案例少见, 尤其是既有地铁车站的沉降变形演化机制、既有桩基的荷载传递机理以及不同的桩基设计参数对变形控制效果的影响等不清楚。

学者们通过理论分析、数值模拟、室内模型试验和现场监控量测等方法进行了相关研究^[1,2,3,4]。目前, 这些案例主要是盾构隧道下穿地下管线、桥梁与地面建筑桩基、既有隧道等, 而盾构穿越既有地铁车站预埋桩基微变形控制 (沉降≤3mm) 的相关理论研究与工程实践比较少见。黄合理^[5]提出在地铁下穿既有车站时采用深孔注浆、小导管注浆来加固土体, 使地表最大沉降值控制在21.24mm;田海波^[6]等提出穿越区采用“门”式加固、全断面加固2种土体加固方案, 使盾构穿越引起的既有地铁结构最大沉降值控制在5mm;郭庆昊^[7]等分析了盾构施工对上层既有地铁车站结构、车站底板处板凳桩托护结构的受力、变形及稳定性情况的影响, 得到下层隧道盾构施工引起上层车站底板的最大沉降值为2.40mm;胡军^[8]等针对某盾构隧道下穿既有隧道的施工力学行为进行数值分析, 建议及时采取措施控制盾构推力, 确保下穿过程上方结构的安全和正常运营。

本文以北京市某拟建区间盾构隧道超近距下穿既有地铁车站为工程背景, 研究既有地铁车站结构底板下方设置预埋桩基情况下, 车站底板的沉降变形规律, 其研究结果为类似穿越工程微变形控制 (沉降≤3mm) 提供理论依据和工程经验。

本文着重分析设置预埋桩基情况下既有地铁车站沉降变形规律。通过研究拟建区间隧道盾构施工过程中预埋桩基沉降变形演化规律, 确定预埋桩基抵抗既有地铁车站沉降变形的作用是如何发挥的。通过改变预埋桩基长径比、距径比、排布方式、设置板凳桩等, 选取更为合理的预埋桩基形式, 达到更有效控制既有地铁车站沉降变形的目的。

新建区间隧道下穿既有地铁车站, 采用盾构法施工, 盾构机盾构直径为6.25m。既有地铁车站主体结构总长约268.70m, 标准段宽24.50m, 高14.85m, 结构标准段覆土3.00m, 底板埋深18.30m;车站主体结构为2层3跨矩形框架结构, 岛式站台, 明挖法施工, 为区间提供盾构始发条件。既有地铁车站施工前, 通过设置4排预埋桩基来控制后期区间隧道盾构施工对既有地铁车站沉降变形的影响, 预埋桩基设计参数为:每排共7根, 间距约4.0m, 桩径1.0m, 桩长12.0m, 通过顶部桩顶梁连接。如图1所示。

既有结构的物理、力学参数如表1所示。

当新建盾构隧道下穿既有地铁车站施工时, 盾构隧道、土体、预埋桩基、既有地铁车站4部分将处于一个共同体系中, 四者相互作用, 相互影响, 直至达到最终的平衡状态, 如图2所示。

该段地表至预埋桩基下方从上到下依次为人工堆积层 (杂填土、黏质粉土素填土、粉质黏土素填土) 、新近沉积层 (圆砾、卵石、细砂、粉砂、黏质粉土、砂质粉土、粉质黏土) 、第四纪沉积层 (卵石、细砂、中砂、黏质粉土) 、古近纪沉积岩层 (黏土岩、强风化砾岩、强风化砂岩) , 如图3所示。

该既有地铁车站所处地面下约41.70m深度范围内的松散沉积层中主要分布1层地下水, 地下水类型为潜水, 含水层主要为砂、卵石层, 本工程勘察期间揭露该层地下水静止水位标高为19.370~19.400m (埋深为25.000~25.200m) 。

本场地地下水赋存于较厚层的卵砾石地层中, 为单一含水层中赋存的潜水, 具有较为稳定的潜水面, 同时以上量测的地下水与勘察单位区域水位观测孔水位一致, 因此上述数据可基本代表本场地地下水的分布情况, 满足设计要求。既有地铁车站未进入地下水, 拟建区间盾构隧道则进入地下水约2.30m。

1) 在MIDAS/GTS中根据围岩性质和设计需要, 假定围岩为均质、各向同性体, 采用实体单元建模。考虑开挖影响范围选取合理的建模尺寸:长×宽×高=80m×60m×40m。模型上部为地表, 地表为自由边, 两侧采用法向变形约束条件, 底部采用全约束条件。

2) 穿越区主要为砂卵石地层, 渗透系数大, 盾构施工过程中孔隙水压力变化小, 对车站沉降影响小, 模拟时不考虑地下水的影响。

3) 使用MIDAS/GTS建模时, 除盾构管片、衬砌及同步注浆外, 其他结构均采用实体单元建模, 模型网格划分如图4所示。

4) 拟建区间盾构隧道开挖分两步进行, 分别模拟盾构左、右线先后下穿既有地铁车站底板的施工过程, 开挖过程中进行衬砌和同步注浆模拟。

5) 模拟不同盾构推力盾构掘进时, 既有地铁车站底板的竖向位移变化规律。

6) 假定既有地铁车站底板下方不设预埋桩基、改变既有预埋桩基长径比 (距径比、排布方式) 、设置板凳桩等情况下, 模拟区间隧道盾构施工对既有地铁车站底板最大沉降变形值的影响。

根据岩土勘察报告, 可将隧道穿越区地层自上而下划分为杂填土、圆砾、卵石、黏土岩4大类, 地层的物理力学参数如表2所示。

为研究预埋桩基对既有地铁车站变形控制的作用, 分别分析有、无预埋桩基情况下既有车站的变形特性, 为此设计4种模拟工况, 如表3所示。

图5为既有地铁车站底板沉降变形曲线结果对比。模拟工况1沉降曲线, 其与设置预埋桩基情况下隧道开挖模拟工况3的差值约为14mm。由此可见, 不设预埋桩基情况下, 盾构下穿既有地铁车站时, 车站结构不能承担施工荷载。模拟工况3最大沉降值为2.36mm, 满足规范规定的沉降限值 (下穿既有地铁车站底板沉降控制≤3mm) 且小于沉降限值的85%。

双线隧道施工模拟工况2和工况4对比分析可知, 无桩情况下, 车站底板最大沉降值为19.36mm, 有桩情况下, 车站底板最大沉降值为2.41mm, 设置预埋桩基不仅能够使车站结构满足规范规定的沉降要求、承载力要求, 还具有约束地铁车站沉降变形纵向扩展的作用。

为研究盾构推力对既有地铁车站沉降变形的控制作用, 按照经验公式^[9]进行验算:

式中:β为经验系数, 按图6所示取500~1 200;D为盾构外径, D=6.25m。F= (500~1 200) ×6.25²=19 530~46 875k N。

现分别分析盾构推力F=10 000, 20 000, 30 000, 40 000, 50 000k N等5种模拟工况下既有车站的沉降变形特性。

图7为既有预埋桩基情况下, 车站底板竖向位移与盾构推力的关系。盾构掘进过程中, 拟建区间盾构隧道上方既有地铁车站底板的沉降、隆起变形与盾构推力大小密切相关, 既有地铁车站底板的隆起值随盾构推力的增大而增大, 沉降值随盾构推力的增大而减小。当盾构推力F=10 000k N和20 000k N时, 盾构位置正上方既有地铁车站底板沉降值已超出前方最大隆起值;当盾构推力F=40 000k N和50 000k N时, 盾构位置前方既有地铁车站底板最大隆起值已超出盾构位置正上方底板沉降值。所以, 建议新建隧道施工时的盾构推力设置在F=30 000k N左右。

盾构隧道左、右线先后穿越既有预埋桩基施工, 左线位于1, 2号梁下方预埋桩基之间, 桩基对称布置于左线两侧, 距隧道中心各6m;右线位于3, 4号梁下方预埋桩基之间, 桩基对称布置于右线两侧, 距隧道中心各6m;2, 3号梁间距5m。如图8所示。

根据拟建区间盾构隧道左、右线先后穿越既有地铁车站底板下方既有预埋桩基施工过程的模拟结果, 绘制预埋桩基桩顶的沉降变形演化曲线, 以每排的 (4) 号桩为例, 如图9所示。

由图9可知:当左隧道盾构掘进至第9步 (每步为3m) 时, 1 (4) , 2 (4) 号桩顶开始产生沉降变形, 盾构掘进至第13步时, 沉降趋于稳定;1 (4) 号桩顶沉降值由最初的0.25mm变为0.38mm, 2 (4) 号桩顶沉降值由最初的0.08mm变为0.16mm, 说明在左隧道盾构掘进过程中, 1 (4) 号桩受施工开挖的不利影响要大于2 (4) 号桩;此阶段, 3 (4) , 4 (4) 号桩顶沉降变形几乎为0, 说明2 (4) 号桩阻断了沉降变形的纵向扩展。盾构开挖至第29步后, 3 (4) , 4 (4) 号桩顶开始产生沉降变形, 1 (4) , 2 (4) 号桩顶沉降变形几乎为0。

既有预埋桩基设计参数通常依据相关规范选取, 具有不确定性。通过改变预埋桩基长径比、距径比、排布方式、设置板凳桩等方式, 选取更合理的预埋桩基, 达到更有效控制既有地铁车站沉降变形的目的。

当桩基长径比l/d=8, 10, 12, 14, 16时, 车站底板纵截面方向沉降曲线如图10所示。

由图10可知, 随着预埋桩基长径比逐渐增大, 既有地铁车站底板沉降变形逐渐减小。但随着预埋桩基长径比的增加, 车站底板沉降值的减小速率逐渐减小, 当长径比>12时, 再增加桩长, 桩基对既有车站的沉降变形控制基本不起作用。

不同距径比预埋桩基网格划分如图11所示。当桩基距径比b/d=12, 6, 4, 3, 2.4时, 车站底板纵截面方向沉降曲线如图12所示。

由图可知:随着预埋桩基距径比逐渐减小, 既有地铁车站底板沉降变形逐渐减小。但随着预埋桩基距径比的减小, 车站底板沉降值的减小速率逐渐减小, 当距径比<4时, 再增加桩基数量, 桩基对既有车站的沉降变形控制效果不明显。

模拟不同排布方式的预埋桩基, 绘制车站底板纵截面方向沉降曲线如图13所示。

由图可知:将预埋桩基非对称布置于拟建区间盾构隧道两侧, 反而会增加既有地铁车站底板的沉降变形, 不利于后期施工;同时缩小外桩距、扩大内桩距, 仍将预埋桩基对称布置于拟建区间盾构隧道两侧, 车站底板的沉降变形反而减小, 因此, 可通过适当缩小外桩距、扩大内桩距来控制既有地铁车站的沉降变形。

所谓板凳桩, 就是将单排桩通过横梁连接而成的门式桩基结构。模拟不同形式的板凳桩 (见图14) , 绘制车站底板纵截面方向沉降曲线如图15所示。

由图可知:通过添加横梁将拟建区间盾构隧道两侧的预埋桩基连接起来形成板凳结构, 可大大减小既有地铁车站的沉降变形, 且板凳桩可使车站底板沉降变形更均匀。因此, 可通过设置图14c, 14d两种板凳结构来控制既有地铁车站的沉降变形。

以上均为考虑单因素时, 既有地铁车站沉降变形控制措施, 本节将综合分析预埋桩基长径比、距径比、排布方式等因素对车站沉降变形的影响, 如表4所示。车站底板纵截面方向沉降曲线如图16所示。

由图可知:模拟工况1~7均能使既有地铁车站底板纵向沉降最大值满足规范规定的微变形控制 (沉降≤3mm) 要求, 且工况1, 2, 4, 5均优于既有预埋桩基对既有车站的沉降变形控制。因此, 可通过设置工况1, 2, 4, 5的预埋桩基来有效控制既有地铁车站的沉降变形。

本文针对某拟建区间盾构隧道超近距下穿既有地铁车站施工这一工程难题, 提出既有地铁车站沉降变形控制措施, 得出以下结论:

1) 通过有无预埋桩基的数值计算分析, 预埋桩基可有效减少既有车站结构沉降变形, 大大降低盾构隧道穿越的施工风险。合理设置预埋桩基不仅能够使车站沉降变形满足规范要求, 还具有约束车站沉降变形纵向扩展的作用。

2) 盾构推力也是影响车站沉降变形的一个关键因素, 上方既有车站底板的隆起值随盾构推力的增大而增大, 沉降值随盾构推力的增大而减小。建议拟建区间盾构隧道施工时, 盾构推力取30 000k N左右。

3) 扩大预埋桩基长径比、缩小距径比均能减小盾构隧道穿越施工对既有车站结构沉降变形的影响, 但效果不明显。

4) 缩小外桩距、扩大内桩距可有效控制盾构隧道穿越施工过程中既有车站结构沉降变形, 但可能会对桩侧产生不利影响。因此, 建议适当地缩小外桩距、扩大内桩距。

5) 在既有预埋桩顶添加横梁不仅能大大降低盾构隧道穿越施工对既有地铁车站沉降变形的影响, 而且使车站底板沉降变形更加均匀。建议此类穿越工程采用板凳桩作为既有地铁车站结构的基础形式。

6) 综合考虑预埋桩基长径比、距径比、排布方式等因素, 所设计的板凳桩不仅能减小盾构隧道施工对既有车站结构沉降变形的影响, 而且还降低了预埋桩基的施工难度。