地鐵工程下穿既有道路的安全性分析及對策研究

王 濤,李寶國,張佩佩

(1.北京城市快軌建設管理有限公司,北京 100028; 2.北京市基礎設施投資有限公司,北京 100101)

0 引言

目前,我國城市化建設飛速發展,尤其是地鐵建設工程遍布城市中心[1-2]。地鐵工程在地下建設過程中,不可避免地會出現穿越既有道路的情況[3]。根據地鐵工程的施工工藝特點,施工過程會對周圍巖土體產生影響,甚至引起上覆巖土層的變形。當變形量超過既有工程允許范圍時,既有工程會形成一定程度的損傷,則需要對既有工程進行及時加固,以保證既有工程的安全性[4-5]。

地鐵工程是貫穿城市的地下空間工程,在建設過程中也會穿越城市地表的既有道路進行施工[6-7]。為了控制車站施工對既有道路原狀土層產生的擾動[8],保證原有土層的穩定[9],減小道路結構下沉,本文以某地鐵車站建設對既有道路的影響為研究背景,分析車站下穿既有道路產生的結構變形,提出地鐵車站施工過程中的建議和對策[10-21]。

1 工程概況

地鐵車站設計長265.4 m,寬24.0 m,主體結構跨度分別為7.6 m，7.2 m，7.6 m,底板埋深為32.2 m,拱頂覆土為14.6 m。車站主體結構設計為雙層三跨框架,施工方法采用暗挖PBA(Pile Beam Arc)工法,結構頂拱由鋼格柵+噴射混凝土的初期支護和模注鋼筋混凝土的二次襯砌構成,并且在兩次襯砌之間進行柔性防水層的設置。主體結構的側樁為灌注樁起到支撐作用,也起承載力樁基的作用,同時承擔暗挖逆筑法的豎向壓力,在灌注樁與結構內襯墻之間要求設置防水層。根據現場鉆探、原位測試和巖土試驗結果的初步分析,勘探深度內的地層按成因類型和沉積時代可分為兩類:人工堆積層和第四系沉積層。

2 模型建立

2.1 幾何模型

考慮模型的邊界效應及計算效率,根據地鐵車站施工的影響范圍,模型寬度設為200 m。為了附加應力系數對模型計算結果的影響,將模型深度設為90 m。沿地鐵施工開挖方向,取模型長度為400 m,具體幾何模型如圖1所示。

2.2 模型參數

既有道路路面結構材料設為線彈性模型,地層土體的材料設為莫爾-庫倫彈塑性模型。根據路面結構材料的特性和既有道路的地質勘查資料,不同路面(自上到下)結構和地層材料物理力學參數如表1,表2所示。

表1 路面結構材料參數

表2 土層劃分及參數

2.3 地應力平衡

既有道路及土體在自重作用下發生固結沉降,固結沉降完成后方可開始車站施工。為了模擬在自重作用下完成固結沉降的原狀土,有必要在模型中建立初始自重應力場,作為后續施工步驟的初始狀態。在該模型中,將重力荷載施加到土體上,計算重力荷載下的應力場,然后將獲得的應力場作為初始應力場,與重力荷載一起應用到有限元模型中。模型的側面和底部是位移邊界,側面限制水平移動,底部限制垂直位移,上邊界是自由表面。

3 安全性分析

3.1 沉降量計算

地鐵施工引起圍巖的應力重分布,而地層的變形又引起路面的下沉,使路面結構層承受拉應力。當拉應力大于各結構層材料的容許拉應力時,路面結構將出現裂縫,從而對既有道路安全性造成影響。因此,既有道路路面的沉降量(豎向位移)是道路性能的控制指標。表3為車站不同施工階段計算得到的路面沉降量,圖2為不同車站結構施工引起的既有道路路面和擋墻的沉降云圖。

表3 不同施工階段沉降統計表

由表3，圖2可知,車站施工下穿既有道路,對正上方道路的沉降變形產生了顯著的影響。在考慮施工地下降水對道路沉降影響的前提下,道路的最大沉降約13.3 mm,擋墻的最大沉降量為12.3 mm。車站施工對既有道路沉降影響較大,車站施工中應控制開挖步序,提高注漿效果,從而保證施工的安全與道路的穩定。

3.2 道路變形指標

通過數值模擬計算結果可知,車站施工能夠引起既有道路的沉降。當道路結構沉降達到一定變形值時,會對路基穩定性和行車舒適性產生不利影響,從而危及道路交通運行安全。因此,在穿越工程施工過程中必須嚴格控制道路結構的變形。本研究綜合道路、地下管線的運營安全要求(DB11/T 716—2019)及實時道路變形監測數據,將該車站施工期間穿越既有道路產生變形的指標設定為:

1)地鐵施工影響范圍內的道路路面沉降最大值為15 mm,沉降速率最大值為2 mm/d。

2)地鐵施工影響范圍內道路路面隆起最大值為5 mm。

3)地鐵施工影響范圍內道路差異沉降最大值為5 mm/5 m。

4)地鐵施工影響范圍內道路擋墻沉降最大值為10 mm。

5)為了防止積水滲透對路基強度的劣化,路面禁止存在結構性裂縫。

6)為了防止路面積水對路基的影響,路面沉降區域內禁止長時間存在積水。

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3.3 變形預警設置

為了能夠在實時監測中對既有道路的沉降進行準確預警,本研究將F值定義為車站施工時的預警指標,F表達式為式(1):

(1)

(2)

根據F值大小將監測預警確定為三個級別:黃色預警、橙色預警和紅色預警,不同預警條件及預警響應如表4所示。

表4 監測預警條件及預警響應表

4 建議及對策

根據對車站施工影響范圍內的道路結構安全性分析,地鐵車站施工會對既有道路產生一定的沉降變形。地鐵工程下穿既有道路施工過程中,需要采取一定的監測和道路防護措施,保證車站施工和道路運行安全。

1)地鐵工程施工前應進一步對既有道路結構進行檢測,查明既有道路路面、擋土墻等結構狀況。充分考慮穿越項目引發道路沉降對道路結構造成的損壞,若出現損壞應在沉降穩定后及時修復。

2)施工過程中,應按照相關規范及管理部門要求,對道路的沉降(隆起)進行監測,并記錄道路的縱、橫向高程。監測測點應深入路基土內,以保證反映路基的沉降情況。

3)為了準確評估地鐵施工對既有道路的影響程度,需要對已經竣工的工程繼續監測,直到沉降值不再增加或者趨于穩定。監測完成后,根據監測結果對既有道路的穩定性進行評估,并且給出處理意見。

4)工程實施前,需制定完善的施工方案及應急預案,嚴格按照安全規程進行施工,遇突發事件時嚴格執行應急預案。

5 結論

隨著城市地鐵建設的日益發展,地鐵工程的延伸必然會下穿既有道路,并且地鐵工程的施工會對既有道路造成影響。本文通過對既有道路的現場踏勘,結合地鐵工程的施工工藝進行數值模擬,對不同施工階段中的不同既有道路結構的變形進行計算,得到了以下結論:

1)地鐵工程下穿既有道路的施工過程對既有道路的沉降變形產生顯著影響。在考慮施工地下降水對道路沉降影響的前提下,道路的累積沉降量為13.3 mm,擋墻的累積沉降量為12.3 mm。

2)在保證地鐵工程施工要求的前提下,對既有道路變形指標進行了設定,并且根據實測變形值和允許變形指標的關系確定了監測預警值,對應不同的預警條件提出了不同的預警響應。

3)為確保既有道路變形值在允許范圍內,提出了地鐵車站施工過程中的建議和對策,從而保證施工正常進行與道路運營安全。