公路隧道建設(shè)引起下臥運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形的控制研究

周燦朗，林湘

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510010)

公路隧道建設(shè)引起下臥運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形的控制研究

周燦朗，林湘

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510010)

隨著城市軌道交通發(fā)展和地下空間開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的地下工程靠近或位于運(yùn)營(yíng)地鐵上方，在保護(hù)地鐵安全的前提下進(jìn)行地下工程建設(shè)成為難點(diǎn)。本文以垂直上跨廣佛線季華路—同濟(jì)路站盾構(gòu)區(qū)間的汾江路公路隧道為背景，針對(duì)止水帷幕未能將透水性砂層隔斷的情況，提出了冷凍法止水方案。同時(shí)，采用了基底加固、分段分期施工、縱向抽條開(kāi)挖等技術(shù)措施，并運(yùn)用MIDAS/GTS進(jìn)行全過(guò)程三維動(dòng)態(tài)數(shù)值分析。通過(guò)三種工況下的對(duì)比分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，本工程采取的措施合理有效。

基坑開(kāi)挖 盾構(gòu)隧道 基底加固 冷凍法 數(shù)值分析

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，城市軌道交通迅速發(fā)展。同時(shí)，在地上資源有限的情況下，城市建設(shè)者們將更多的投資轉(zhuǎn)向了地下空間開(kāi)發(fā)，從而造成越來(lái)越多的地下工程鄰近或位于地鐵隧道上方。如何在保護(hù)地鐵安全的前提下進(jìn)行地下工程建設(shè)，成為工程界和學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。由于地下結(jié)構(gòu)基坑開(kāi)挖，打破了隧道原有受力平衡，必將引起地應(yīng)力的重分布，隧道也產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力和變形［1］。臺(tái)北市某處地鐵附近開(kāi)挖深基坑導(dǎo)致臨線隧道管壁破壞，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失［2］。地鐵的安全運(yùn)營(yíng)是關(guān)系民生及社會(huì)穩(wěn)定的大事，必須從設(shè)計(jì)與施工兩方面采取有效的、嚴(yán)格的工程措施，保證地鐵的正常使用和安全［3］。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)［4］以上跨地鐵隧道的南京龍?bào)绰匪淼罏楸尘埃槍?duì)未經(jīng)加固以及運(yùn)用高壓旋噴法加固坑內(nèi)地基兩種工況，進(jìn)行三維彈塑性有限元數(shù)值模擬計(jì)算，但計(jì)算未考慮分層分步開(kāi)挖、土方跳倉(cāng)抽條等。文獻(xiàn)［5］以上海某鄰近地鐵隧道的基坑工程為背景，提出坑外二次加固的施工工藝，采用FLAC-3D軟件建立三維彈塑性模型進(jìn)行模擬。文獻(xiàn)［6］以上海市軌道交通10號(hào)線豫園地下大通道工程的施工實(shí)踐，介紹了一種在地鐵區(qū)間隧道上方進(jìn)行超大面積基坑工程開(kāi)挖卸載的施工技術(shù)。

本文以廣佛線季華路—同濟(jì)路站盾構(gòu)區(qū)間隧道正上方建設(shè)汾江路公路隧道的工程實(shí)例為對(duì)象，針對(duì)止水帷幕未能將透水性砂層隔斷的情況，提出冷凍法止水方案。同時(shí)，為控制隧道變形，采用了基底加固、分段分期施工、縱向抽條開(kāi)挖等技術(shù)措施，并運(yùn)用MIDAS/GTS進(jìn)行全過(guò)程三維動(dòng)態(tài)數(shù)值分析。分3種工況進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證本工程采取措施的有效性，以期為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

汾江路公路隧道分為敞開(kāi)段、遮光段、暗埋段，在暗埋段垂直上跨地鐵區(qū)間。該暗埋段為單層雙跨箱形框架結(jié)構(gòu)，凈寬27.5 m(總寬29.5 m)，凈高5.8 m(總高7.7 m)，頂板覆土1.5 m。地鐵隧道為盾構(gòu)隧道，外徑6.0 m，管片厚度0.3 m，左右線凈距7 m。地鐵隧道頂覆土約15.8 m，地鐵上方基坑開(kāi)挖深度約9.8 m，基坑底與隧道之間的凈距約6 m，見(jiàn)圖1。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面(單位:mm)

工程場(chǎng)地地層從上到下依次為〈1〉素填土層、〈2〉淤泥質(zhì)土層、〈6〉中砂層、〈7〉粗砂層、〈8〉粉質(zhì)黏土層、〈12〉強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層、〈13〉微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層。隧道拱頂位于〈8〉粉質(zhì)黏土層，腰部以下位于〈12〉強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層，地下水位在地面下2 m。公路隧道基坑最大開(kāi)挖深度約9.8 m，基坑底位于中砂層。

2 控制目標(biāo)與重難點(diǎn)分析

運(yùn)營(yíng)地鐵對(duì)隧道變形要求非常嚴(yán)格。盾構(gòu)隧道絕對(duì)最大沉降≤15 mm，最大隆起量≤10 mm，變形曲率半徑＞15 000 m，相對(duì)彎曲＜1/2 500，施工產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)盾構(gòu)隧道引起的峰值速度≤25 mm/s［7-8］。公路隧道建設(shè)過(guò)程中，進(jìn)行卸載與加載，必將引起地鐵隧道出現(xiàn)隆起變形和內(nèi)力變化，控制隧道隆起變形與實(shí)現(xiàn)有效止水是本工程的重難點(diǎn)。隆起變形分兩種:第一種位移是基坑開(kāi)挖引起坑內(nèi)土體回彈，從而引起盾構(gòu)隧道的隆起;第二種位移是卸荷引起盾構(gòu)隧道本身的變形。工程實(shí)踐證明，從空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)兩方面控制隧道的隆起變形切實(shí)有效?？臻g上，采用基坑小斷面開(kāi)挖比大斷面開(kāi)挖引起的隆起變形小;時(shí)間上，主體結(jié)構(gòu)澆筑越快，基坑暴露時(shí)間越短，基坑隆起的位移越?。?-10］。止水帷幕的設(shè)計(jì)，是本工程的另一個(gè)重點(diǎn)，關(guān)系到整個(gè)工程的成敗。

3 基坑設(shè)計(jì)

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本場(chǎng)地砂層很厚，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻及兩道支撐(第一道混凝土支撐、第二道鋼支撐)，第一道支撐距地面0.5 m，兩道支撐豎向間距4.5 m?；拥字了淼乐g為砂層，為保護(hù)地鐵隧道安全，南北兩側(cè)連續(xù)墻底與隧道之間保留1.5 m的安全凈距，從而導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)未隔斷透水層，形成了1.5 m高的透水縫隙。如何解決止水問(wèn)題，是基坑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本工程采取兩方面的措施:①在基坑南北兩側(cè)吊腳墻位置采用冷凍法，形成凍結(jié)止水帷幕，即第一道止水防線;②基坑底至地鐵隧道結(jié)構(gòu)頂2.0 m的范圍內(nèi)采用φ850@600三軸水泥攪拌樁滿堂加固，形成第二道水平止水防線。同時(shí)，也可控制隧道隆起變形。

3.2 施工順序設(shè)計(jì)

為有效控制地鐵隧道隆起，公路隧道基坑采用分期分段施工。地鐵隧道正上方30.8 m長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)置了2排800 mm厚地下連續(xù)墻和1排φ1 000@1300旋挖樁，均深入基巖。平面上3排隔離圍護(hù)結(jié)構(gòu)將基坑分為東西4個(gè)區(qū)域，西側(cè)2個(gè)區(qū)，東側(cè)2個(gè)區(qū)，見(jiàn)圖2?？傮w施工工序如下:①先施工西側(cè)基坑1，待該部分公路隧道主體結(jié)構(gòu)施工完成后，再開(kāi)挖東側(cè)基坑1;②在西側(cè)基坑1、東側(cè)基坑1的主體合并為一個(gè)節(jié)段并覆土后，再對(duì)稱開(kāi)挖西側(cè)基坑2、東側(cè)基坑2。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及第二道支撐平面布置(單位:mm)

4 三維數(shù)值計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

本工程場(chǎng)地較平整，計(jì)算模型采用規(guī)則的六面體，計(jì)算范圍沿區(qū)間隧道方向取72 m(2倍基坑深度)，垂直隧道方向取110 m(隧道暗埋段長(zhǎng)度)。采用實(shí)體單元模擬地層，板單元模擬盾構(gòu)管片、連續(xù)墻、圍護(hù)樁，梁?jiǎn)挝荒M冠梁、腰梁、支撐。土體采用彈塑性的摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，其他均采用彈性本構(gòu)關(guān)系，各地層力學(xué)參數(shù)如表1。

4.2 分析工況

為驗(yàn)證本工程采取措施的有效性，分3種工況進(jìn)行模擬對(duì)比分析:①采用基底加固及分期分段、抽條開(kāi)挖;②采用基底加固，取消分期分段、抽條開(kāi)挖;③采用分期分段、抽條開(kāi)挖，取消基底加固。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

4.3模擬計(jì)算

公路隧道建設(shè)過(guò)程中，施工時(shí)序復(fù)雜，地鐵隧道上方重復(fù)的卸載與加載必然導(dǎo)致其變形和內(nèi)力發(fā)生變化。本文對(duì)3種工況下公路隧道建設(shè)的整個(gè)過(guò)程，均采用MIDAS/GTS進(jìn)行全過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)模擬，以掌握變化規(guī)律及薄弱環(huán)節(jié)，以采取有效的針對(duì)措施。限于篇幅，工況1下的部分有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 基坑開(kāi)挖的有限元模型

4.4 計(jì)算結(jié)果

為進(jìn)行對(duì)比分析，將3種工況下東側(cè)隧道(右線)的最大隆起變形繪制于圖4。由圖4可見(jiàn)，工況2、工況3下東側(cè)隧道最大隆起變形分別達(dá)到了22.34，15.56 mm，遠(yuǎn)大于工況1的5.84 mm。結(jié)論表明，采用大斷面開(kāi)挖或不進(jìn)行基底加固，將導(dǎo)致地鐵隧道隆起變形過(guò)大，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文采用措施的有效性。

圖4 地鐵隧道隆起變形

工況1下西側(cè)隧道最大隆起變形為5.22 mm，東側(cè)隧道最大隆起變形為5.84 mm，均出現(xiàn)在隧道正上方的基坑開(kāi)挖至基底時(shí)。此時(shí)，隧道變形曲率半徑為19 396 m≥15 000 m，相對(duì)彎曲0.75/2 500≤1/2 500。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，施工單位及第三方監(jiān)測(cè)單位對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的內(nèi)部均勻布置了13個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)工程建設(shè)過(guò)程中隧道變形進(jìn)行自動(dòng)化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將整個(gè)施工過(guò)程中東側(cè)隧道(右線)出現(xiàn)最大隆起變形工況下的變形繪制于圖4中。由圖可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大隆起變形為4.30 mm，與計(jì)算結(jié)果基本一致，也說(shuō)明了MIDAS/GTS模型是基本準(zhǔn)確的，所選計(jì)算參數(shù)是合理的，計(jì)算結(jié)果是可信的，采取的措施是有效的。

6 結(jié)論

以廣佛線季華路—同濟(jì)路站區(qū)間隧道正上方建設(shè)汾江路公路隧道的工程實(shí)例為背景，對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，并進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論:

1)通過(guò)3種工況下的對(duì)比分析，說(shuō)明用大斷面開(kāi)挖或不進(jìn)行基底加固，將導(dǎo)致地鐵隧道隆起變形過(guò)大。實(shí)測(cè)結(jié)果也證明了本工程采取措施的有效性。

2)基坑工程下隧道隆起變形的計(jì)算值與施工實(shí)測(cè)值基本吻合，說(shuō)明了三維彈塑性數(shù)值分析評(píng)估隧道變形是有效的，該方法具有可行性，可以運(yùn)用到類似的基坑工程中。

3)采用冷凍法，有效解決了止水帷幕未能將透水性砂層隔斷情況下的基坑止水問(wèn)題，在類似地層中具有一定的推廣價(jià)值。

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(責(zé)任審編趙其文)

U456.3+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.18

1003-1995(2015)02-0066-03

2014-02-01;

2014-11-03

周燦朗(1977—)，男，湖南益陽(yáng)人，高級(jí)工程師。