城際鐵路暗挖隧道施工對城市立交變形影響分析

柴聚奎

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

隨著城市交通建設(shè)的快速發(fā)展，地下線路不可避免地與地上建筑物發(fā)生沖突。如地下隧道的施工會(huì)對地上的建筑物及橋梁產(chǎn)生影響，尤其是對處于運(yùn)營中的交通設(shè)施影響更大。以下通過工程實(shí)例，對暗挖隧道施工對城市立交的影響進(jìn)行變形分析，可為后續(xù)相關(guān)工程的順利實(shí)施提供借鑒。

1 工程概況

莞惠城際鐵路新客運(yùn)南-西湖區(qū)間隧道在GDK 96+600～GDK96+800里程范圍內(nèi)下穿鵝嶺立交橋，其中部分樁基鄰近或進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道施工范圍(見圖1)。

鵝嶺立交橋建成于1994年，是一座三層全互通立交橋。其中，地面一層，空中兩層。鵝嶺立交橋樁基較多，各線橋墩基礎(chǔ)均為φ1 500的人工挖孔樁(鉆孔灌注樁)，大部分基礎(chǔ)為端承樁，個(gè)別為摩擦樁。位于隧道開挖范圍內(nèi)的樁基共有11根，位于隧道開挖范圍之外但距離較近的樁基共有23根(見圖2、圖3)。

圖1 隧道與樁基平面關(guān)系示意

圖2 隧道與樁基縱剖面關(guān)系示意(GDK96+600～700)

圖3 隧道與樁基縱剖面關(guān)系示意(GDK96+700～800)

本段區(qū)間為雙洞單線暗挖隧道，隧道斷面為馬蹄形，斷面尺寸為8.9 m×9.65 m(寬×高)，線間距約為15.3 m。隧道頂埋深約30.5 m。區(qū)段范圍內(nèi)自上而下依次為素填土，粉質(zhì)黏土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，斷層碎裂巖及全、強(qiáng)、弱風(fēng)化花崗閃長巖。斷層碎裂巖主要發(fā)育在斷層帶內(nèi)，原巖為花崗閃長巖，細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，按風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化。隧道主要穿越地層為強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖及斷層碎裂巖，地下水位高程為11.41～32.09 m。該段隧道采用臺階法施工，對于穿斷層破碎帶區(qū)域，采用“全斷面注漿+CD法”施工。

2 數(shù)值模擬

2.1 MIDAS/GTS軟件概述

MIDAS/GTS[5]是一款巖土與隧道結(jié)構(gòu)工程有限元分析軟件，基本涵蓋了巖土方面所有的分析計(jì)算功能，包括靜力分析、施工階段分析、穩(wěn)態(tài)流分析、固結(jié)分析、邊坡穩(wěn)定和動(dòng)力分析等。

2.2 模型建立

根據(jù)隧道的埋深和洞徑，有限元模型橫向?qū)挾热?20 m，縱向取50 m，豎向取50 m，樁基采用較密的網(wǎng)格劃分。計(jì)算中對立交進(jìn)行簡化處理，將上部結(jié)構(gòu)自重和外部荷載以均布荷載的形式作用在樁基上。由于樁基數(shù)量較多，對兩種地質(zhì)條件分別選用幾種樁基進(jìn)行模擬:①非斷裂帶區(qū)域選取B2(雙線中間)、B4(隧道正上方)、B7(隧道外10 m)、B9-1(隧道外20 m)。②斷裂帶區(qū)域選取A48-1(雙線中間)、Z11-2(隧道正上方)、Z10-2(隧道外10 m)、Z47-1(隧道外20 m)、A46-1(隧道外45 m)。整體模型透視圖見圖4。

圖4 整體模型透視

2.3 參數(shù)選取

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)資料，其物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

表1 非斷裂帶區(qū)域主要地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 斷裂帶區(qū)域主要地層物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，各樁基的豎向變形見圖5～圖13、表3。

圖5 樁基B2(雙線中間)

圖6 樁基B4(隧道正上方)

圖7 樁基B7(隧道外10 m)

圖8 樁基B9-1(隧道外20 m)

圖9 樁基A48-1(雙線中間)

圖10 樁基Z11-2(隧道正上方)

圖11 樁基Z10-2(隧道外10 m)

圖12 樁基Z47-1(隧道外20 m)

圖13 樁基A46-1(隧道外45 m)

非斷裂帶樁基編號樁底沉降值/mm斷裂帶樁基編號樁底沉降值/mmB2(雙線中間)18.1A48-1(雙線中間)25.6B4(隧道正上方)17.3Z11-2(隧道正上方)24.7B7(隧道外10m)12.9Z10-2(隧道外10m)18.3B9-1(隧道外20m)7.1Z47-1(隧道外20m)9.9A46-1(隧道外45m)4.5

由分析可知，各個(gè)樁基樁端的沉降小于樁頂，從上到下依次遞減，其差值在1 mm范圍內(nèi)。樁基靠近隧道一側(cè)的沉降大于另一側(cè)，依次遞減，其差值在1 mm范圍內(nèi)。受兩條線路的影響，線路中間的樁基沉降最大(非斷裂帶區(qū)域?yàn)?8 mm、斷裂帶區(qū)域?yàn)?5 mm)，其次是隧道正上方位置(非斷裂帶區(qū)域?yàn)?7 mm、斷裂帶區(qū)域?yàn)?4 mm)，離線路越遠(yuǎn)沉降越小，30 m范圍以外的沉降均在8 mm以內(nèi)。斷層區(qū)域的樁基沉降量較非斷層區(qū)域大1/3左右。

4 處理方案

4.1 具體處理方案

(1)非斷裂帶區(qū)域

區(qū)間隧道范圍內(nèi)的樁基采用深孔注漿(雙排梅花形、間距80 cm布置注漿孔，漿液采用1∶1水泥漿，深度入微風(fēng)化層0.5 m)，對樁周圍土層和樁底土層進(jìn)行加固。

區(qū)間隧道范圍之外30 m內(nèi)的樁基，沿區(qū)間外側(cè)采用深孔注漿(雙排梅花形、間距80 cm布置注漿孔，漿液采用1∶1水泥漿，深度入微風(fēng)化層0.5 m)，使鄰近區(qū)間隧道的樁基與區(qū)間隧道隔離。

(2)斷裂帶區(qū)域

在隧道開挖平面范圍之內(nèi)的樁基，采用“托換梁+鋼管樁”(原橫系梁一周植筋施作1 m×1.5 m托換梁，原樁周圍布置8～10根φ300 mm的鋼管樁)、“擴(kuò)大承臺+鋼管樁”進(jìn)行加固(沿樁基一圈植筋施作3 m×3 m托換梁，原樁周圍布置8～10根φ300 mm的鋼管樁)。

隧道開挖平面范圍之外30 m內(nèi)的樁基：①對于相對獨(dú)立的樁基，采用周邊施作兩圈封閉(圓形布置)袖閥管注漿的方式進(jìn)行保護(hù)；②對于兩條通過系梁連接的樁基，采取兩排封閉(方形布置)袖閥管注漿的方式進(jìn)行保護(hù)(注漿相關(guān)參數(shù)為：間距80 cm布置注漿孔，漿液采用1∶1水泥漿，深度入微風(fēng)化層0.5 m)。

4.2 處理后計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，采用以上樁基加固措施后，樁基沉降得到有效控制，最大沉降值為6.6 mm，滿足立交的沉降限值(如圖14～圖16)。

圖14 樁基B2(雙線中間)

圖15 樁基B4(隧道正上方)

圖16 樁基A48-1(雙線中間)

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工過程中，對鵝嶺立交橋墩進(jìn)行了沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，大部分鵝嶺立交橋墩的沉降量都在允許的控制范圍內(nèi)，但在斷裂帶區(qū)域、隧道范圍30 m外，少量橋墩沉降值超過預(yù)警值，監(jiān)測成果見表4(負(fù)值為下沉，正直為上升)。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，超出設(shè)計(jì)預(yù)警值6.4 mm的橋墩有A46，超出設(shè)計(jì)控制上限值8.0 mm的橋墩有Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、B10(設(shè)計(jì)要求累計(jì)沉降值不超過8 mm，超過80﹪預(yù)警)，且這些橋墩仍保持繼續(xù)下沉的趨勢。

表4 樁基監(jiān)測數(shù)據(jù) mm

根據(jù)下沉橋墩平面位置可以看出，該部分橋墩位于三道岔口交匯處，并且都處于斷裂帶區(qū)域，距離隧道最近的為37 m，最遠(yuǎn)的為67 m。由于處于斷裂帶區(qū)域，該處地層巖性差異大、穩(wěn)定性差，再加上此處位于三岔口處，車輛密集，導(dǎo)致該區(qū)域沉降超過限值。

為保證鵝嶺立交的通行安全，對隧道30 m范圍外累計(jì)沉降量較大的橋墩進(jìn)行加固保護(hù)，處理方案為：①對墩身為薄壁墩的A46橋墩采用兩排封閉(方形布置)袖閥管注漿的方式進(jìn)行加固。②對Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、B10橋墩采用鋼管樁+托換梁的方式進(jìn)行加固，鋼管樁加固深度應(yīng)進(jìn)入弱風(fēng)化地層。

6 結(jié)論

(1)隧道開挖會(huì)引起立交橋樁基的沉降，隨著開挖面的遠(yuǎn)離，沉降值逐漸減小。對于雙線隧道，雙線中間位置樁基沉降甚至要大于線路正上方位置的沉降。

(2)在隧道開挖引起的樁基沉降中，樁基本身的沉降存在差值，樁端的沉降小于樁頂，從上到下依次遞減，其差值在毫米范圍內(nèi)。

(3)針對隧道開挖引起的樁基沉降，采用深孔注漿隔離、“托換梁+鋼管樁”、“擴(kuò)大承臺+鋼管樁”等加固措施可有效控制樁基的變形。

(4)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。受立交使用時(shí)間、樁基周邊地層以及上方車輛荷載等多種不確定因素的影響，導(dǎo)致影響范圍外部分樁基沉降量較大，需根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行修正補(bǔ)充。

[1] 吳祖標(biāo)，彭立敏，張忠.某隧道立交橋段臨近施工問題的數(shù)值分析[J].采礦技術(shù)，2008，8(3)：41-43

[2] 高魏，韓昌瑞，許英姿，等.淺埋暗挖隧道對橋梁基礎(chǔ)的影響分析[J].公路，2012(11)：123-128

[3] 李泓橋.隧道暗挖施工對臨近橋梁樁基礎(chǔ)的影響[D].廣州：廣州大學(xué)，2016

[4] 管磊.大斷面城際鐵路隧道近接樁基礎(chǔ)工方案研究[J].四川建筑，2010，30(3)：195-198

[5] 李治.Midas/GTS在巖土工程中應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005

[7] 姚宣德.淺埋暗挖法城市隧道及地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)分析與評估[D].北京：北京交通大學(xué)，2009

[8] 安建永.淺埋隧道開挖與既有建筑基礎(chǔ)荷載相互影響的模型試驗(yàn)和理論計(jì)算研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009

[9] 張志強(qiáng)，何川.深圳地鐵隧道鄰接樁基施工力學(xué)行為研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25(2)：204-207

[10] 周誠，周少東，等.城市地鐵隧道區(qū)間淺埋暗挖施工地表沉降控制研究[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2015(6)：70-74

[11] 高長軍，丁茂瑞，王琪，等.隧道近接施工對既有橋梁穩(wěn)定性影響的二維模擬研究[J].中外公路，2010，30(3)：229-233

[12] 崔芳，高永濤，吳順川.斷層影響下隧道噴錨支護(hù)效果的數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2011(6)：25-28