城市軌道交通隧道礦山法暗挖側(cè)穿高架橋的施工影響

喬洪磊 梁祖銓 耿建儀 楊新安

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海;2.上海國際機場股份有限公司,201207,上?！蔚谝蛔髡?博士研究生)

隨著城市交通多樣化、網(wǎng)絡化及立體化發(fā)展,城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)近接側(cè)穿高架橋的施工日漸增多。國內(nèi)外學者針對隧道近接高架橋施工的力學行為特性展開了一系列的研究:在理論解析方面,文獻[1]分兩個階段研究了隧道施工對樁基的影響,并采用半彈性體解析方法求解了樁基的內(nèi)力及變形;文獻[2]通過隧道-土體-樁基的相互作用關系,提出了隧道施工造成樁基承載力損失進而產(chǎn)生樁基沉降的理論。在模型試驗方面,文獻[3]通過離心機試驗,針對不同的隧道與樁間距情況,研究了隧道開挖對樁基的瞬時和長期影響。在數(shù)值模擬方面,文獻[4]采用三維有限元方法,分析得到了既有樁基所產(chǎn)生沉降和傾斜規(guī)律;文獻[5]通過FLAC3D軟件,在考慮流固耦合作用下分析了隧道開挖對鄰近樁基礎性能的影響;在現(xiàn)場監(jiān)測方面,文獻[6]以北京昌平線二期地鐵盾構(gòu)側(cè)穿橋梁為例,采集了橋樁和地面沉降變化數(shù)據(jù),結(jié)合盾構(gòu)推進土壓和注漿量,分析了橋樁及橋梁周邊地面的沉降變形情況;文獻[7]結(jié)合成都地鐵5號線盾構(gòu)側(cè)穿二環(huán)路高架橋現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),分析得到了盾構(gòu)側(cè)穿高架樁基時雙洞間樁基礎位置為施工高風險區(qū)域,局部的施工保護措施可有效阻隔隧道-圍巖-樁基-地面的變形傳遞的結(jié)論。

合肥市城市軌道交通線路暗挖工程也有多次側(cè)穿高架橋的情況,需研究隧道結(jié)構(gòu)近接側(cè)穿高架橋的施工影響,選用合理的施工方案,以有效提高施工的安全性。本文針對合肥市軌道交通2號線天柱路站附屬1號出入口暗挖隧道(以下簡稱“暗挖隧道”)側(cè)穿長江西路高架橋的施工工況,采用MIDAS GTS/NX數(shù)值分析軟件,結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),研究該暗挖隧道施工側(cè)穿對橋梁變形及地面沉降的影響規(guī)律,并提出對應的保護措施。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)《合肥市軌道交通2號線工程天柱路站巖土工程勘察報告》,該暗挖隧道所處地質(zhì)條件如下:

1) 埋深0～4.30 m處含雜色〈1-1〉人工填筑土;

2) 埋深3.00～10.20 m處含灰黃色〈3-1〉黏土;

3) 埋深7.90～12.50 m處含褐黃色〈3-2〉黏土;

4) 埋深10.60～12.80 m處含灰褐色〈4-2〉殘積粉質(zhì)黏土;

5) 埋深11.80～15.80 m處含磚紅色〈8-1〉全風化泥質(zhì)砂巖;

6) 埋深12.80～19.00 m處含磚紅色〈8-3〉中風化泥質(zhì)砂巖;

7) 埋深11.50～13.80 m處含磚紅色〈10-1〉全風化泥質(zhì)砂巖;

8) 埋深13.70～20.10 m處含磚紅色〈10-3〉中風化泥質(zhì)砂巖。

1.2 與鄰近的建/構(gòu)筑物關系

暗挖隧道與長江西路高架橋的位置關系如圖1所示。長江西路高架橋底部凈空約6.5 m,橋立柱尺寸2.0 m(長)×2.0 m(寬)×6.5 m(高),橋承臺基礎尺寸6.5 m(長)×6.5 m(寬)×1.2 m(高),橋樁基采用灌注樁,直徑為1.5 m,長度為25 m,樁間距為4 m。暗挖隧道側(cè)穿長江西路高架,其外輪廓與樁基間的最小凈距約為3.895 m。

圖1 暗挖隧道與長江西路高架橋的位置關系

2 數(shù)值模擬過程

2.1 數(shù)值模型建立

采用MIDAS GTS/NX數(shù)值分析軟件建立了如圖2所示的數(shù)值模型,模型尺寸為65 m(x向)×40 m(z向)×50 m(y向)。模型上邊界取為自由面,左右邊界約束x向位移,下邊界約束z向位移,前后界面約束y向位移。

圖2 數(shù)值分析模型

2.2 參數(shù)取值

暗挖隧道所處地層及隧道支護結(jié)構(gòu)的基本力學參數(shù)如表1所示。開挖過程中采用超前支護+初期支護+二次襯砌的組合支護形式,其中超前支護采用超前管棚+小導管的支護方式。

表1 暗挖隧道所處地層及隧道支護結(jié)構(gòu)的基本力學參數(shù)

2.3 方案工況設計

暗挖隧道采用CRD(交叉中隔墻)法施工。由于隧道側(cè)穿施工勢必會對既有高架橋梁帶來非對稱影響,隧道不同的開挖順序及臺階長度均會造成不同的空間效應,因此,本文將暗挖隧道分為①、②、③、④ 4個分部,如圖3所示。

圖3 暗挖隧道采用CRD法施工的4個分部

本文選取左右導洞掌子面前后間隔15 m的4種工況進行分析,其中:工況1按照①→②→③→④的順序開挖,上下相鄰導洞的開挖施工間隔為3 m;工況2按照①→②→③→④的順序開挖,上下相鄰導洞的開挖施工間隔為6 m;工況3 按照③→④→①→②的順序開挖,上下相鄰導洞的開挖施工間隔為3 m;工況4按照③→④→①→②的順序開挖,上下相鄰導洞的開挖施工間隔為6 m。

3 計算結(jié)果與分析

在模擬過程中對地面沉降,以及橋梁承臺基礎、橋梁立柱和橋梁樁基礎的變形進行監(jiān)控量測,對比最終結(jié)果,并對實際工程施工方法進行比選。

3.1 地面沉降對比分析

在斷面1(見圖2)設置地面監(jiān)測點,得到4種工況下地面沉降曲線如圖4所示。圖4中:橫軸坐標等于0處為隧道中線斷面,取遠離承臺方向為正向。由圖4可知,4種工況下地面沉降值呈現(xiàn)工況1>工況3>工況2>工況4的規(guī)律;對比高架橋承臺邊緣處的地面沉降與無承臺區(qū)域的地面沉降,可明顯發(fā)現(xiàn)高架橋承臺邊緣處的地面沉降量小于無承臺區(qū)域的地面沉降量,其原因推測為橋梁樁體對地層的摩阻力使得地面沉降受到一定的抑制;隧道中線向高架側(cè)的地面沉降值呈現(xiàn)工況1>工況3>工況2>工況4的規(guī)律;工況4為最優(yōu)工況。

圖4 不同工況下斷面1的地面沉降曲線

3.2 橋梁承臺、立柱變形對比分析

由于暗挖隧道的側(cè)穿開挖,橋梁承臺及橋墩產(chǎn)生了一定的水平變形及豎向變形,且呈現(xiàn)靠近隧道側(cè)承臺、立柱的變形大于遠離隧道側(cè)變形承臺、立柱的變形規(guī)律。為方便后續(xù)分析,把隧道近側(cè)的承臺及立柱編號為承臺1及立柱1,隧道遠側(cè)的承臺及立柱編號為承臺2及立柱2(見圖2)。不同工況下橋梁各承臺、立柱的沉降差對比如表2所示,傾斜度對比如表3所示。

表2 不同工況下各承臺、立柱的沉降差對比

表3 不同工況下各承臺、立柱的傾斜度對比

根據(jù)相關規(guī)范,沉降差的一級安全標準為5 mm,傾斜度的控制標準為1‰。由表2及表3可知:4種工況均符合標準要求;各承臺、橋柱的沉降差及傾斜度均呈現(xiàn)工況1>工況2>工況3>工況4的規(guī)律;工況4為最優(yōu)工況。

3.3 橋梁樁基變形對比分析

受暗挖隧道側(cè)穿的影響,橋梁樁基將產(chǎn)生一定的彎曲變形,且呈現(xiàn)越靠近隧道側(cè)樁基的變形越劇烈的規(guī)律。為進一步探究隧道側(cè)穿對高架橋梁樁基的變形影響,選取圖2中承臺1下方靠近隧道側(cè)的樁基進行變形分析,得到不同工況下該樁基的水平變形曲線如圖5所示。圖5中:水平變形等于0處為所選樁基的斷面,取趨向隧道側(cè)的變形為正向。

圖5 不同工況下所選樁基的水平變形曲線

由圖5可知:隨著樁基埋深的增加,樁基的水平變形呈現(xiàn)從水平正向到水平負向再到水平正向的變形趨勢;樁體最大水平變形位于樁頂位置;4種工況下的樁頂水平變形呈現(xiàn)出工況1>工況2>工況3>工況 4的規(guī)律。

不同工況下所選樁基的豎向變形如圖6所示,取豎直向上變形為正向。由圖6可知:隨著樁基埋深的增加,樁基的豎向變形呈現(xiàn)從豎直向下變形到豎直向上變形的趨勢,其原因可能是由于暗挖隧道開挖導致隧道拱底附近地層卸荷,進而導致土體回彈;樁體最大豎直向下變形位于樁頂位置;4種工況下的樁頂變形呈現(xiàn)出工況1>工況2>工況3>工況4的規(guī)律。

圖6 不同工況下所選取樁基的豎向變形曲線

因此,針對橋梁樁基的變形分析中,工況4為最優(yōu)工況。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

該暗挖隧道側(cè)穿既有高架橋梁工程實際施工時,選用工況4,即先開挖遠離高架側(cè)的分部、6 m臺階長度且左右導洞掌子面前后間隔15 m的CRD工法施工,并將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析。

4.1 地面沉降實測值與模擬值的對比

監(jiān)測斷面上各監(jiān)測點布置以隧道中心軸線為中心,向兩側(cè)以5 m/個的間隔布置監(jiān)測點,同時考慮高架承臺邊緣等特殊點靈活布點。隧道施工行進方向每隔20 m布置1個監(jiān)測斷面,且在隧道側(cè)穿高架區(qū)段在中線位置加密了1組監(jiān)測斷面,加密后施工行進方向監(jiān)測斷面的間隔變?yōu)?0 m。選取圖2中的斷面1,將地面沉降模擬值與現(xiàn)場實測值進行對比,其結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:地面實測沉降變化曲線與模擬沉降變化曲線基本一致,兩者的差值均小于0.5 mm,由此驗證了本次模擬計算的準確性;沉降量均小于現(xiàn)行規(guī)范要求(小于30 mm),可保證施工安全。

4.2 橋梁樁基沉降實測值與模擬值的對比

長江西路高架橋承臺下設置4根樁,沉降監(jiān)測點布置在承臺下側(cè)中心位置。布置監(jiān)測點時,采用水準儀對測點標高進行測量,確定標高后修整出1塊尺寸為400 mm(長)×400 mm(寬)的平面,并在監(jiān)測點上安裝物位計。選取3.3節(jié)變形最顯著的承臺1下方靠近隧道側(cè)的樁基進行樁頂沉降監(jiān)測,其實測值與模擬值的對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 承臺1下方靠近隧道側(cè)樁頂沉降的模擬值與實測值對比

由圖8可知:樁基實測沉降變化曲線與模擬沉降變化曲線基本一致,二者差值均小于0.1 mm;最終沉降現(xiàn)場的實測值略大于數(shù)值模擬值,但二者均小于沉降控制標準(10 mm),這證明暗挖隧道的側(cè)穿并未影響高架橋的安全運作。

5 結(jié)語

1) 對于側(cè)穿既有高架橋梁淺埋暗挖隧道施工,先開挖遠離高架側(cè)施工部的工況優(yōu)于先開挖靠近高架側(cè)施工部的工況,且CRD工法中6 m臺階長度工況優(yōu)于3 m臺階長度工況。

2) 隧道上方地面沉降在CRD工法前3部開挖及拆除支撐時產(chǎn)生的變化較大,而后趨于穩(wěn)定;承臺邊緣處由于橋梁樁體受地層摩阻力的限制,其沉降較隧道上方地面沉降有所減小。

3) 淺埋暗挖隧道側(cè)穿施工對橋梁承臺和樁基水平變形的影響大于其豎向變形的影響,對靠近淺埋暗挖隧道側(cè)承臺和樁基的影響大于對遠淺埋暗挖隧道側(cè)承臺和樁基的影響。

綜上所述,對該暗挖隧道可針對性地采取以下保護措施:采用注漿、冰凍帷幕及隔斷樁等方法阻斷隧道開挖對鄰近建筑物的影響;加強樁基、地基等結(jié)構(gòu)物的強度,提高其抵抗地層變形的能力;對結(jié)構(gòu)物進行頂托補償和注漿補償,以達到控制沉降的目的。