季山隧道上跨既有地鐵隧道的安全控制措施

(成都華川公路建設(shè)集團(tuán)有限公司, 四川 成都 610091)

0 引言

在城市修建地下隧道時(shí)，如何減小對周圍環(huán)境的影響是一個(gè)非常重要的問題。市政隧道一般埋深較淺，通常采用明挖法進(jìn)行施工，且明挖段管線、構(gòu)建物較多，會出現(xiàn)基坑工程位于已運(yùn)行的地鐵區(qū)間隧道之上的問題，隧道基坑開挖卸荷勢必導(dǎo)致地鐵襯砌隆起，由于已運(yùn)營的地鐵車輛對隧道的變形極為敏感，地鐵隧道對變形要求極為嚴(yán)格，如何采取有效的措施來控制地鐵襯砌隆起變形尤為關(guān)鍵。本文以季山隧道基坑工程為例，提出了“板凳樁+MJS注漿”、“鋼管帷幕”等2種地鐵襯砌加固方式，同時(shí)也對基坑本身的圍護(hù)型式進(jìn)行了探討，最終選用“板凳式+MJS注漿”的加固方案及基坑采用“樁+橫撐”的圍護(hù)型式，這些技術(shù)措施可為類似工程提供參考。

1 工程概況

季山隧道K6+093～K6+138段上跨地鐵1號線，本段隧道采用明挖法施工，隧道基坑深8.4 m，結(jié)構(gòu)底板距離地鐵襯砌3 m；區(qū)域地質(zhì)從上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化板巖，見圖1、圖2；由于地鐵襯砌距離基坑底板較近，且頂部巖體為粉質(zhì)黏土，基坑開挖卸荷容易導(dǎo)致襯砌隆起，有必要采取措施來控制地鐵襯砌的隆起，從而保證地鐵的正常運(yùn)營安全。

圖1 平面布置

圖2 立面布置(單位： m)

2 方案措施

2.1 地鐵襯砌上方圍巖加固

考慮到地鐵正在運(yùn)營，從地鐵隧道洞內(nèi)采用拉拔、錨固的方式來防止襯砌隆起變形必然會阻斷交通，需從洞外采取相應(yīng)的措施，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)，提出“板凳樁+MJS注漿”、“鋼管帷幕”等2種加固措施。

2.1.1方案1：“板凳樁+MJS注漿”加固方案

“板凳樁+MJS注漿”加固方案(見圖3、圖4)加固體豎向范圍為進(jìn)入中風(fēng)化巖層1 m，東西兩側(cè)加固范圍為隧道兩側(cè)4.4 m，加固體距離既有隧道保持1.5 m(水平)及1 m(豎向)的安全距離，以避免加固損傷現(xiàn)有管片結(jié)構(gòu)，MJS加固樁直徑為2 m，間距1.6 m。加固完畢后在1號線兩側(cè)及中間施做3排抗拔樁，樁徑1 m，樁長8 m，將抗拔樁用結(jié)構(gòu)底板東西向連成整體，形成板凳樁，可有效抵抗基坑開挖引起的回彈。

圖3 方案1：加固平面(單位： m)

圖4 方案1：加固立面(單位： m)

2.1.2方案2：“鋼管帷幕”加固方案

“鋼管帷幕”加固方案(見圖5、圖6)是在隧道基坑底部設(shè)置鋼管帷幕來抵抗地鐵襯砌的隆起。在距離地鐵管片2.5 m位置施做端頭墻(鋼筋混凝土鉆孔樁)、工作井，兩側(cè)端頭墻位置的工作井較隧道基坑深1.5 m，以便鋼管帷幕的施工，采用Φ 203 mm的鋼管，間距0.6 m，設(shè)置在基坑底部0.5 m的位置(距離管片2.5 m)，鋼管兩頭采用槽鋼連成一整體，并與端頭墻位置的鉆孔樁相連。

圖5 方案2：加固立面(單位： m)

圖6 方案2：鋼管帷幕橫斷面(單位： m)

2.1.3方案比選

方案1與方案2比選見表1。

表1 2種加固方案比選表內(nèi)容方案1方案2費(fèi)用投資較大投資小施工難度先施做MJS工法樁,再施做抗拔樁,施工難度不大先在管片兩側(cè)施做端頭墻、工作井,然后施做鋼管帷幕,施工難度較大加固效果好一般

從費(fèi)用、施工難度、加固效果等綜合考慮，推薦方案1。

2.2 基坑圍護(hù)型式

本段隧道基坑深8.2 m，擬采用“放坡+噴錨”、“鉆孔樁+橫撐”等2種圍護(hù)型式，2種型式比選見表2。

表2 基坑圍護(hù)型式比選表內(nèi)容放坡+噴錨鉆孔樁+橫撐費(fèi)用投資較小投資較大施工難度、周期放坡坡比為1∶0.5～1∶1,坡面施做錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土,施工難度較小,施工周期較短基坑兩側(cè)施做鉆孔樁,坑內(nèi)施做橫撐,施工難度較小,施工周期較長基坑本身的穩(wěn)定性一般較好基坑開挖對地鐵襯砌的影響基坑開挖寬度更寬、卸荷更大,對控制地鐵襯砌變形不利基坑開挖卸荷較小,對控制地鐵襯砌變形有利

從費(fèi)用、施工難度與周期、基坑穩(wěn)定性、對地鐵襯砌的影響等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，推薦“鉆孔樁+橫撐”的圍護(hù)型式?；訃o(hù)見圖7～圖9，基坑寬度為22.4 m，深8.2 m，兩側(cè)采用φ 0.8 m@1 m的鉆孔樁(長度分別為16、9 m)，中間設(shè)置1道豎向格構(gòu)立柱(間距分別為10、5、10 m)，第1道為0.8 m×0.8 m的鋼筋混凝土橫撐(間距8 m)，第2道為Φ609 mm鋼管橫撐(間距3 m)。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

采用Midas計(jì)算軟件進(jìn)行三維計(jì)算，圍巖從上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化板巖，均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫；隧道結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，地鐵襯砌采用板單元進(jìn)行模擬，鉆孔樁采用梁單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系均為彈性。主要具體材料參數(shù)如表3所示。

圖7 基坑圍護(hù)橫斷面(單位： m)

圖8 鉆孔樁長度布置(單位： m)

圖9 格構(gòu)立柱布置(單位： m)

表3 材料參數(shù)表材料單元類型模型類型彈性模量E/MPa容重/ (kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角?/ (°)隧道結(jié)構(gòu)實(shí)體單元彈性31 00026——雜填土實(shí)體單元摩爾-庫倫 7.1220.0227粉質(zhì)黏土實(shí)體單元摩爾-庫倫 9.5190.0830中風(fēng)化板巖實(shí)體單元摩爾-庫倫 10.5200.1535鉆孔樁梁單元彈性31 00026——地鐵襯砌板單元彈性31 00026——

3.2 計(jì)算模型及模擬過程

計(jì)算模型見圖10，邊界條件為前后、左右、底部固定，重力方向?yàn)閆方向。結(jié)合國內(nèi)相似工程經(jīng)驗(yàn)，地鐵襯砌隆起警戒值按10 mm進(jìn)行控制。模擬過程為：自重應(yīng)力平衡→施做MJS工法樁→施做鉆孔樁→基坑開挖并施做橫撐→施做隧道主體結(jié)構(gòu)→隧道結(jié)構(gòu)回填。

3.3 計(jì)算結(jié)果

主要分析基坑開挖之后、隧道結(jié)構(gòu)施做及回填之后的地鐵襯砌位移。

從圖11中可以看出，隧道基坑開挖之后，盡管地鐵襯砌上方做了加固措施，開挖卸荷還是不可避免地導(dǎo)致地鐵管片發(fā)生隆起，最大隆起值產(chǎn)生在管片中部(管片與隧道襯砌交界正下方)，為4.2 mm，小于10 mm；隧道結(jié)構(gòu)施做回填之后，管片隆起值有所減小，最大隆起值為2.3 mm?？梢缘贸?，隧道開挖施工對地鐵管片產(chǎn)生了影響，由于管片上方采取了加固措施,且基坑采用了更合理的圍護(hù)型式，地鐵管片的隆起值在可控范圍之內(nèi)，不會

圖10 模型

a) 基坑開挖之后

b)隧道結(jié)構(gòu)施做回填之后

影響地鐵的正常運(yùn)營安全。

4 結(jié)論及建議

本文以季山隧道上跨地鐵1號線為背景，對地鐵管片加固措施、隧道基坑圍護(hù)型式進(jìn)行了探討，主要結(jié)論有：

1) 與“鋼管帷幕”加固方案相比，“板凳樁+MJS注漿”的加固方案更易于施工，且加固效果好，MJS加固樁直徑為2 m，間距1.6 m，為了避免加固損傷現(xiàn)有管片結(jié)構(gòu)，加固體距離既有管片應(yīng)保持一定的安全距離，且在加固體中施做抗拔樁，形成板凳樁，可有效抵抗基坑開挖引起的回彈。

2) 與“放坡+噴錨”圍護(hù)型式相比，采用“鉆孔樁+橫撐” 的圍護(hù)型式時(shí)基坑開挖卸荷較小，對控制地鐵襯砌變形有利，且基坑本身的穩(wěn)定性也較好，鉆孔樁的長度、豎向格構(gòu)立柱的布置應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況(地鐵襯砌和隧道結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系)來進(jìn)行。

3) 通過計(jì)算得出，隧道基坑開挖之后，地鐵管片發(fā)生隆起，最大隆起值為4.2 mm，隧道結(jié)構(gòu)施做回填之后，管片隆起值有所減小，最大隆起值為2.3 mm。隧道開挖施工對地鐵管片產(chǎn)生了影響，由于管片上方采取了加固措施,且基坑采用了更合理的圍護(hù)型式，地鐵管片的隆起值在可控范圍之內(nèi)，不會影響地鐵的正常運(yùn)營安全。

本文的建議有： ①為了進(jìn)一步減小隧道基坑開挖對地鐵管片的影響，建議上跨段落分3段施工，施工過程中應(yīng)堅(jiān)持“安全、快速、高效”的原則，避免工期過長；②施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對地鐵襯砌進(jìn)行監(jiān)控。