上跨隧道對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響研究

高曼莉

(安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230001)

隨著合肥市第3輪軌道交通規(guī)劃的許可與開(kāi)工，形成了四線運(yùn)營(yíng)、十線在建的局面，屆時(shí)軌道交通運(yùn)營(yíng)與在建線路達(dá)355 km。線網(wǎng)的增加，乘坐市民的增多，致使地鐵安全保護(hù)的工作越來(lái)越重要。2020 年2 月開(kāi)始施行的《合肥市城市軌道交通條例》規(guī)定地鐵車站及隧道結(jié)構(gòu)外邊線50 m為安全保護(hù)區(qū)，在保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行施工作業(yè)應(yīng)當(dāng)按照有關(guān)規(guī)定制定保護(hù)方案，確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全。

本文以合肥市天鵝湖隧道上跨既有地鐵工程為例，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析，研究下穿湖體隧道施工對(duì)附近地鐵隧道的影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的保護(hù)措施，保障地鐵安全運(yùn)營(yíng)。

1 隧道位置

下穿天鵝湖隧道工程位于合肥市某核心區(qū)，全長(zhǎng)0.92 km，起自南二環(huán)，自桐文路交口降坡，在距離祁門路80 m處接地，終于祁門路，其中暗埋段隧道長(zhǎng)度447 m，U槽長(zhǎng)度228 m。該公路隧道為雙向6 車道的3跨矩形鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，形式為敞口段U型槽和雙跨單層箱型。

天鵝湖隧道距地鐵3 號(hào)線某車站主體距離約20.8m，距車站出入口約16.4m；距離車站風(fēng)亭約17.4m；工程上跨3 號(hào)線地鐵區(qū)間隧道，開(kāi)挖基坑底至地鐵隧道頂豎向凈距6.36m，基坑圍護(hù)樁底至地鐵隧道頂豎向凈距約2m，均進(jìn)入地鐵保護(hù)區(qū)，對(duì)地鐵隧道影響較強(qiáng)烈，平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與地鐵之間的平面關(guān)系

湖體周邊土質(zhì)情況較復(fù)雜，地勘報(bào)告顯示主要由填土、素填土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)砂巖組成，由于湖體的長(zhǎng)期浸泡，土體抗剪強(qiáng)度變小，壓縮模量變大，工程產(chǎn)生的大量土方卸載極不利于地鐵隧道的穩(wěn)定，故工程實(shí)施前對(duì)地鐵隧道變形進(jìn)行模擬分析，實(shí)施過(guò)程中采取動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 優(yōu)化施工方案

根據(jù)其它地方類似工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先提出采用隔離樁與壓底板形成門式框架結(jié)構(gòu)的保護(hù)方案，門式框架結(jié)構(gòu)用以抵抗卸載后地基回彈力、隔離施工期間兩側(cè)土壓力，如圖3所示，同時(shí)改善施工步序，采用分區(qū)域、分層開(kāi)挖的模式，開(kāi)挖順序如圖4所示，減少對(duì)地鐵隧道的擾動(dòng)，防止變形過(guò)大。

圖3 施工剖面圖

圖4 基坑開(kāi)挖順序

2.2 三維有限元模擬計(jì)算

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求，提出變形控制指標(biāo)，如表1所列，豎向變形不超過(guò)15mm，水平不超過(guò)10mm，故施工前，根據(jù)設(shè)計(jì)方案采用MIDAS/GTS建立三維計(jì)算模型，代入經(jīng)反演的地質(zhì)參數(shù)如表2所列，預(yù)演地鐵隧道變形趨勢(shì)，依施工順序逐步演算，模型長(zhǎng)140m，寬93.3m，高38m，地鐵隧道長(zhǎng)度93.3m，模型單元個(gè)數(shù)約144320個(gè)。

表1 變形控制指標(biāo)

表2 地質(zhì)反演參數(shù)表

土本構(gòu)模型采用修正Mohr-Coulomb模型,混凝土結(jié)構(gòu)及鋼支撐等采用各項(xiàng)同性彈性模型。天鵝湖隧道結(jié)構(gòu)采用三維6面體單元進(jìn)行模擬,地鐵隧道管片采用二維板彈性單元進(jìn)行模擬,鉆孔灌注樁、鋼支撐等采用一維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。模型采用固定邊界條件，頂面為地面不限制位移，4個(gè)側(cè)面限制水平位移，底面限制豎向位移。模擬結(jié)果顯示，施工過(guò)程中最大豎向變形為上浮9.35mm，最大水平位移為南移2.48mm，均在控制指標(biāo)范圍內(nèi)，優(yōu)化后的方案安全可行。

3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

為控制過(guò)大變形，施工全過(guò)程對(duì)地鐵隧道的進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)三維模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)，模擬變形較大的區(qū)間加密監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括拱頂沉降、地鐵隧道底隆起、水平收斂、水平位移、結(jié)構(gòu)裂縫等。

工程南側(cè)基坑開(kāi)挖時(shí)，地鐵隧道并未像三維模擬結(jié)果一樣引起上浮，反而出現(xiàn)沉降。隨著開(kāi)挖的繼續(xù)，各斷面沉降幅度逐漸減小并開(kāi)始出現(xiàn)隆起趨勢(shì)，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得最大豎向變形為沉降1.61mm，最大水平位移均小于1mm，最大收斂為0.74mm。經(jīng)分析原因?yàn)榈罔F隧道施工完不久，沉降并未穩(wěn)定，變形中沉降仍占主導(dǎo)地位。

正上方的基坑開(kāi)挖，地鐵隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果：豎向最大變形為上浮3.72mm，出現(xiàn)在基坑下方的 6-10 號(hào)監(jiān)測(cè)斷面；水平位移的最大變形為南移2.13mm，出現(xiàn)在1-7 號(hào)監(jiān)測(cè)斷面，由于南部基坑已完成卸載導(dǎo)致地鐵隧道的水平位移最大值均為向南偏移，與模擬結(jié)果基本相似。同時(shí)后半段開(kāi)挖過(guò)程，存在超挖、開(kāi)挖較快及鋼支撐架設(shè)不夠及時(shí)等現(xiàn)象，加之土體變形的時(shí)空效應(yīng)，致使地鐵隧道變形速率較快，后及時(shí)發(fā)現(xiàn)糾正，將變形控制在安全范圍內(nèi)。

北側(cè)基坑施工，發(fā)生過(guò)一次較大變形的情況，最大變化量為 0.63mm，變化速率為 0.09mm/d，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況分析，發(fā)現(xiàn)基坑兩天完成開(kāi)挖，施工速度過(guò)快導(dǎo)致。基坑穩(wěn)定后，地鐵隧道在7 號(hào)監(jiān)測(cè)斷面出現(xiàn)了最大上浮變形，累計(jì)變形值為 4.36mm，最大水平位移出現(xiàn)在2 號(hào)監(jiān)測(cè)斷面，總體向北偏移，但累計(jì)變形依然為向南 1.07mm，經(jīng)巖土力學(xué)分析，北側(cè)土體離湖較遠(yuǎn)，比南側(cè)土體更穩(wěn)定，故最終表現(xiàn)出向南變形較大。

4 結(jié)論

工程竣工后3個(gè)月，地鐵隧道的沉降最大累計(jì)變形為上浮4.63mm，水平位移最大累計(jì)變形為南移1.71mm，總體變形趨勢(shì)與前期模擬計(jì)算基本符合，均未發(fā)生超值預(yù)警，可見(jiàn)三維模型計(jì)算準(zhǔn)確，地質(zhì)參數(shù)反演合理，能夠作為類似施工典型經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合工程實(shí)際，得出相關(guān)建議如下：①為確保模擬計(jì)算準(zhǔn)確性，地質(zhì)參數(shù)需進(jìn)行反演，天鵝湖區(qū)域類似工程模擬計(jì)算參數(shù)可參考文中反演結(jié)果，取泊松比0.25-0.3，回彈模量72-178 MPa，內(nèi)摩擦角13-32°，粘聚力45-300 kPa；②施工前借助三維模擬計(jì)算，能夠檢驗(yàn)方案可行性，優(yōu)化施工和監(jiān)測(cè)方案；③建立地鐵隧道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與外部項(xiàng)目施工的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，隨時(shí)根據(jù)變形數(shù)據(jù)改進(jìn)施工工藝，能夠有效遏制異常變形；④地鐵隧道的最大變形位于基坑正下方，故上方擾動(dòng)對(duì)地鐵影響較為顯著；同時(shí)分塊分層卸土，禁止超挖快挖，利用底板與圍護(hù)樁形成門式框架結(jié)構(gòu)，能有效控制地鐵隧道上方大面積卸載而引起的變形。