車行隧道基坑工程對跨越既有電纜隧道的影響分析

劉宇晨 胡燊 李文濤

(廣州市市政工程設計研究總院有限公司 510060)

引言

隨著地下交通、市政管廊的不斷完善,地下空間開發的不斷深入,城市道路交通網絡的立體化,地鐵隧道、市政管道、車行隧道等之間互相穿越建設的工程將越來越多。如何在不影響已有地下構筑物安全和使用性能的前提下修建新的地下工程,已成為城市地下空間開發的新課題。

1 工程概況

本車行隧道為廣州市G106 國道左轉進入廣花一級公路的定向匝道,單向兩車道,全長395m,采用明挖法施工。在廣花一級公路東側敞開段上跨電纜隧道,交角64.8°。其平面布置如圖1所示。

車行隧道上跨電纜隧道段采用U 形斷面結構形式,結構凈寬10.9m,側墻高度6m,厚0.5m ～1.0m,底板厚度0.85m。電纜隧道采用鋼筋混凝土頂管,管徑3.6m,壁厚0.3m,管頂埋深6.2m,持力層為粉質粘土。頂管節段標準長度為2.5m,管節之間的縱向連接采用承插式F 型接頭。電纜隧道頂面與車行隧道底板底面間距僅為22cm。車行隧道與電纜隧道相對關系如圖2 所示。

圖1 車行隧道平面布置Fig.1 Plane plan of traffic tunnel

圖2 車行隧道與凱旋電纜隧道關系Fig.2 Spatial position of traffic tunnel and cable tunnel

場區巖土層自上而下分別為素填土①2、粉質粘土②1、淤泥②2、粗礫砂③2、粉質粘土④2、全風化粉砂質泥巖⑤1和強風化粉砂質泥巖⑤2,其巖土參數見表1。地下水位埋深介于1.55m ～3.55m 之間,雨季水位較高。

表1 各土層參數取值Tab.1 Soil parameter

2 車行隧道基坑支護概況

電纜隧道范圍內不具備施打支護樁的條件,該段車行隧道基坑采用放坡開挖方式,基坑長42.85m,寬7.6m,坑底開挖深度6.3m,分兩級放坡開挖,根據地質條件確定開挖坡率為1：1.5,中間平臺寬2m。

通道范圍采用兩層橫撐支護,頂撐采用800mm×600mm 的鋼筋混凝土橫撐,C30 混凝土。第二道撐采用?600×16mm 鋼管橫撐,Q235 鋼。

端部采用?600@400mm 旋噴樁用作止水帷幕,電纜隧道范圍內旋噴樁底距電纜隧道頂0.5m,樁底與電纜隧道頂之間采用袖閥管注漿。基坑開挖時,將坑內地下水位降至電纜隧道中心標高位置。凱旋電纜隧道段基坑支護平面及橫斷面分別如圖3 及圖4 所示。

圖3 電纜隧道段基坑支護平面Fig.3 Foundation pit plane plan of cable tunnel top surface section

由于在基坑工程施工過程中,隧道電纜需要保持正常運營。為進一步減小施工造成的風險,提出如下加強措施[1,2]：

(1)開挖前對電纜隧道兩側各管徑寬度范圍內土體進行注漿加固;

(2)采用分段、分塊、放坡開挖,嚴格控制施工進度;

(3)在電纜隧道兩側設樁基,與車行隧道結構共同形成保護框架,限制電纜隧道工后變形;

(4)根據電纜隧道變位實時監測的結果,確定是否需實施在電纜隧道內進行壓重、電纜隧道緊急修復方案等應急預案。

圖4 電纜隧道段基坑支護橫斷面Fig.4 Foundation pit transverse section of cable tunnel top surface section

3 施工階段影響分析

為保證已投入運營的電纜隧道的安全,要求嚴格控制車行隧道基坑開挖過程中造成的電纜隧道變形,重點解決電纜隧道抗浮及基坑開挖土體卸載地基回彈過大問題。因此需對車行隧道基坑開挖施工階段對電纜隧道的影響進行分析。

3.1 電纜隧道變形控制標準

為合理評估車行隧道基坑開挖對電纜隧道的影響,需明確電纜隧道允許變形控制標準。設計中應根據電纜隧道的結構特點和管線性質,參考同類型結構相關規范確定允許變形控制值。據調查,本隧道采用的施工方法為頂管法,管材為鋼筋混凝土圓管。相關規范對地下構筑物的允許變形控制標準如下：

《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB50268 -2008)表6.7.3 和《給排水工程頂管技術規程》(CECS 246： 2008)表13.2.1 均規定：頂管允許偏差要求相鄰管間錯口小于壁厚15%,且≤20mm; 《給排水工程頂管技術規程》(CECS 246： 2008)第4.3.9 條第4 款規定： 混凝土管接頭允許偏轉角應大于0.5°。

管節間相對變形控制值參照以上規范取值：相鄰管節錯口≤0.15t,且≤20mm,t為壁厚; 混凝土管接頭允許偏轉角取值0.5°。

以上變形控制值均應包括施工誤差。因此,基坑開挖前應對影響范圍內的電纜隧道相鄰管節間錯口和偏轉角進行量測,作為變形控制的初始值,保證初始值與開挖變形值之和不大于允許變形控制值。

《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497 -2009)表8.0.5 規定,對于剛性非壓力管道,建筑基坑工程周邊環境監測報警值為10mm ～40mm。鑒于電纜對變形的適應能力較強,同時本電纜隧道竣工時間較短,取中值25mm 作為位移允許值。

3.2 電纜隧道抗浮分析

為避免基坑開挖過程中電纜隧道上浮,同時保證基坑內干燥,擬將地下水位降至電纜隧道中心標高位置。在不考慮電纜線自重前提下,電纜隧道抗浮安全系數：Kv= (G管+G土)/F浮=(91.6 +3.6)/50 =1.9 ＞1.05,滿足抗浮要求。

3.3 電纜隧道回彈變形分析計算模型[3]

為分析基坑開挖對電纜隧道的影響,利用有限元分析軟件MIDAS GTS NX,建立電纜隧道段基坑三維模型,并模擬實際開挖過程。電纜隧道兩側土體注漿效果和加固范圍難以準確評估,偏于保守不考慮其有利作用,仍采用原狀土層參數進行計算。

模型中地層尺寸為沿基坑縱向長36.5m、橫向寬55.6m,豎向深25m。土體采用實體單元模擬,并采用修正庫侖-摩爾模型,開挖土體細部按1m 尺寸劃分網格,地層邊沿部分按2m 尺寸劃分網格; 支護樁等效為板,由等剛度轉換原則可得,等代板厚：。橫撐采用桿單元,電纜隧道采用板單元; 地層左右前后邊界處施加垂直于邊界面的水平方向約束,地層底部邊界處施加豎向約束。結構劃分網格后模型如圖5所示。

圖5 整體三維有限元模型Fig.5 3D finite element model

施工階段模擬： ①初始地應力(位移清零);②成隧(挖去電纜隧道處巖土、施作電纜隧道結構); ③位移清零; ④成樁(施作灌注樁); ⑤開挖1： 開挖第1 部分土體,施作第1 道橫撐;⑥開挖2： 開挖第2 部分土體,施作第2 道橫撐;⑦開挖3： 開挖第3 部分土體至基坑底部。開挖過程模型如圖6 所示。

圖6 基坑開挖過程示意Fig.6 Excavation process of foundation pit

3.4 電纜隧道各施工階段變形計算結果

經計算分析,電纜隧道各施工階段豎向位移計算結果見表2,管節間相對轉角計算結果見表3。

表2 豎向位移Tab.2 Vertical displacement

表3 管節間相對轉角Tab.3 Relative angle of segments

3.5 電纜隧道各施工階段變形實測結果

根據監測方提供數據,電纜隧道各施工階段變形實測結果最大值見表4。

表4 豎向位移和相對轉角實測值Tab.4 Vertical displacement and relative angle of segments measured value

3.6 電纜隧道各施工階段變形計算值與實測值對比分析

(1)電纜隧道管節間相對最大位移、相對最大轉角和管節最大位移均發生在開挖3。

(2)開挖過程中,管節間相對最大位移、相對最大轉角和管節最大位移均在允許值范圍內。

(3)管節間相對最大位移、相對最大轉角和管節最大位移實測值均小于理論值。

計算分析和現場監測結果表明,本工程在既有電纜隧道上方放坡進行基坑開挖,造成的節間位移及轉角影響較小。

4 結語

在跨越既有電纜隧道的車行隧道基坑工程的施工中,開挖前對電纜隧道兩側范圍內土體進行預加固,分段、分塊開挖,有助于減小基坑開挖過程中電纜隧道的變形。本案例的設計施工經驗為同類工程的設計施工提供了借鑒和參考。