隧道病害條件下上方新建道路方案優化

陳 翔

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著國民經濟的發展和城市化進程的加快，地下區間網絡越來越密，涉鐵（區間）保護的項目也越來越多，尤其以道路建設涉鐵（區間）項目最多。若地下區間埋深淺、病害多、地質條件差，在鄰近隧道上方新建道路無論是開挖卸載還是回填壓實都會對區間隧道的位移、收斂產生較大影響且加重區間病害程度；因此對施工過程中如何保證既有區間穩定、安全開展研究具有重要的工程意義和實際應用價值。

目前已有許多學者研究了鄰近工程對既有區間的影響。左殿軍等[1]利用數值模擬軟件研究了基坑開挖對鄰近盾構隧道位移的影響，得出地表和隧道位移隨基坑開挖深度增加逐漸變大且在基坑內支撐間距較大時，沉降與位移增加速率較大的結論。基于實測數據分析結果，魏綱[2]研究了基坑開挖對下臥既有隧道豎向變形的影響規律，得到了隧道最大隆起值的經驗計算公式。許冠等[3]以軟土地區某鄰近軌道交通盾構隧道的基坑工程為背景，通過有限元法分析原設計方案基坑施工對盾構隧道的影響程度及規律并提出優化方案。黃宏偉等[4]采用有限元分析軟件對基坑開挖誘發下臥隧道變形進行研究，得出了基坑開挖對下臥隧道影響區域約為6 倍基坑寬度的結論。此外，還有一些研究人員也采用各種方法研究了基坑開挖過程中鄰近既有隧道的變形和應力分布特征[5～8]。

目前，大多數學者對鄰近地鐵隧道區間工程的研究集中于基坑卸載對已建成區間的影響；而在區間病害嚴重、地質條件差的情況下如何考慮建設方案優化、區間加固措施，以保證既有隧道結構安全的研究成果較少?；诖?，本文以實際工程為例，采用地鐵區間現狀評估及數值模擬的方法，得到適合本區間的設計、施工方案，提出對既有區間的加固措施。

1 工程概況

某道路全長約492.53 m，為城市主干道，設計車速50 km/h，標準橫斷面為雙向橫坡，機動車道、非機動車道坡度2%，人行道坡度2%。

道路施工過程中最大挖深約為1.5 m，最大回填高度約為3 m，規劃路面距離某既有地鐵隧道盾構區間拱頂約為10.9～18.4 m。見圖1。

2 既有地鐵現狀調查

2.1 區間現狀評價

地鐵隧道盾構區間在施工完成至2015 年7 月1日期間，結構達到地鐵驗收穩定標準；后期由于道路工程堆載原因導致區間破壞。地鐵隧道大變形區段與外部工程位置具有較高的對應性。道路施工活動和堆載破壞隧道原有平衡，在荷載作用下出現沉降，截至2016 年11 月20 日區間左右線道床同時出現橫向貫穿裂縫。監測數據顯示，相關區域累積沉降3～5 cm，左線K13+162 累計下沉-58.8 mm，K13+187 累計下沉-80.4 mm；右線K13+162 累計下沉-107.4 mm，K13+187 累計下沉-101.2 mm；左線水平收斂最大位置為ZDK13+170.7，最大收斂值57 mm；右線水平收斂最大位置為DK13+364.7，最大收斂值53 mm。破壞最大處位于新建道路下方。隧道病害為道床破裂、局部滲水，沉降和收斂超限制。見圖2-圖3。

圖2 區間沉降監測

圖3 區間收斂監測

2.2 地質條件

工程屬于長江漫灘地質，富水含砂，土質較差。上覆土層為①2松散素填土、②1a2黏土、②2b4淤泥質粉質黏土（流塑），下臥土層為②4d2粉砂（中密）、②5d1粉砂（密實）。地鐵隧道區間位于②2b4淤泥質粉質黏土（流塑）、②3d3粉砂等土層（稍密），其中②2b4淤泥質粉質黏土具有強度低、壓縮性高、靈敏度中等的特點。見圖4和表1。

表1 土體物理性質指標

圖4 擬建道路工程處地鐵區間地質剖面

3 優化方案對隧道區間影響

3.1 隧道預加固

既有區間病害嚴重，需要對道床加固、裂縫修補注漿。綜合考慮工期因素，進行了微擾動注漿以及鋼環加固，抑制區間沉降和收斂。見圖5。

圖5 鋼環加固施工步驟

3.2 方案優化

將道路方案優化為橋梁方案。采用有限元軟件MIDAS GTS-NX 分析在橋梁施工過程中，伴隨著打樁、橋墩和預應力蓋梁、蓋板開挖對既有區間沉降和水平收斂的影響。見圖6。

圖6 橋梁與地鐵區間模型關系

橋梁樁基采用全回轉鋼套筒施工方法，減小打樁對區間的影響；橋墩、蓋梁采用間隔開挖、跳倉施工方法。

優化后的橋梁+既有區間預加固方案較原道路方案可以明顯減小施工區間的豎向位移值和收斂值。本區段道床破裂，隧道病害嚴重，原道路方案隧道區間最大收斂最大已經達到53 mm，施工完成后累計收斂值將達到91.6 mm，施工風險極大；優化后的方案施工期間隧道沉降最大值為12.63 mm，施工工序中水平收斂最大值約為2.5 mm，風險可控。見圖7-圖9和表2。

表2 優化方案計結果mm

圖7 開挖橋臺后豎向位移

圖8 施工橋臺以及預應力蓋梁后豎向位移

圖9 原方案與優化方案計算結果

目前，工程已按照優化方案施工完畢，道路已通車。根據監測，施工期間區間豎向沉降12.34 mm，與分析誤差2.29%；水平位移2.84 mm，與分析誤差4.3%；收斂值2.32 mm，與分析誤差3.97%。

4 結論

1）在既有隧道區間上方新建道路，應綜合考慮區間管片病害現狀、所處區位水文地質條件等。當區間病害嚴重，應從工程方案階段進行比選，選取對區間保護最優方案。新建工程施工前應根據區間病害情況提前完成對區間隧道的加固。

2）當隧道區間處于漫灘地段且淺埋時，土質靈敏度較高，在區間上方開挖卸載、回填對區間豎向位移、水平收斂影響較大。將方案優化為樁基橋梁方案減小開挖和回填深度，可減小對既有區間的影響。

3）采用跳躍式間隔開挖、鋼套筒全回轉式旋挖成樁的施工措施，可以減小新建工程對既有區間的位移、收斂影響。