三線隧道并行穿越金達路跨線橋變形分析

曲喜濤

(中鐵第五勘察設計研究院集團有限公司,北京 102600)

隨著城市的快速發展,高層建筑林立,道路橋梁錯綜復雜,受規劃、管線、地下空間的諸多的限制,隧道修建過程中側穿正穿既有建筑及基礎不可避免,尤其是隧道近距離穿越建筑物及橋梁樁基施工,而引起的差異沉降導致建筑物開裂、傾斜,以及橋面不平整無法繼續使用的問題,已經引起了有關方面以及公眾的日益廣泛的關注,因此控制沉降變形,降低對建構筑物的影響已日漸成為軌道交通設計的重中之重。

寧波地鐵5號線一期工程富強路站至海晏南路站區間采用地下方式敷設,前殷車輛段位于杭甬高速北側,環城南路南側地塊,八字接軌于富強路站及海晏南路站。本段區間兼有三線隧道近距離并行、交叉和長距離連續近接穿越重要市政橋梁樁基多重風險,控制點多,施工難度大的特點[1]。

1 工程概況

5號線一期工程富強路—海晏南路區間采用盾構法施工,盾構外徑6 200 mm,盾構埋深在10 m～17 m,區間設兩個聯絡通道。正線隧道沿金達路跨線橋東西兩側敷設,右線隧道與金達路跨線橋17號橋墩樁基凈距最小2 m,左線隧道與金達路跨線橋10號橋墩樁基凈距最小1.85 m。出入場線采用“八”字線,分別從富強路站和海晏南路站引出,沿金達路東側敷設。區間全長約1.4 km,側穿金達路跨線橋8號至20號橋墩,凈距為2 m～4.8 m;入場線隧道與右線隧道長距離并行,并行區間長度約230 m,凈距3.3 m～4.5 m,兩者有空間交叉節點,凈距5.3 m;出場線隧道與左線隧道長距離并行,并行區間長度約180 m,凈距3.8 m～4.8 m,兩者有空間交叉節點,凈距4.65 m。根據全線工程籌劃安排,區間正線先施工,出入場線隧道上跨右線隧道后進入停車場[2-3]。區間平面圖見圖1。

2 周邊環境

金達路跨線橋為主干道,規劃紅線寬度44 m,主橋寬度25 m,雙向六車道。引橋沿金達路向北,上跨既有河道及北斗路后,沿規劃金達路線位向北上跨杭甬高速,后在規劃潘火大道與金達路交叉口南側接地。規劃金達路跨線橋跨杭甬高速段主跨為簡支梁54 m,兩側邊跨為連續梁跨度33 m,橋臺附近橋跨距離為16 m。橋臺及臺后范圍采用直徑60 cm旋噴樁加固,主跨及邊跨段采用φ120 cm鉆孔灌注樁,樁長64 m～74 m,南北兩側橋臺采用直徑600 mm高壓旋噴樁加固,樁長10 m[4-5]。

3 地質及水文情況

區間地層以軟土為主,主要為軟塑狀粉質黏土以及流塑狀淤泥質土。地質層的劃分,從上至下依次為雜填土、黏土、淤泥質黏土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、黏土、粉質黏土、中砂、粉砂層,區間主要穿越土層為粉質黏土及淤泥質黏土。

根據地下水含水層介質、水動力特征及其賦存條件,可將場地內地下水分為孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。場地潛水位埋藏淺,勘察期間實測孔隙潛水位埋深一般在現地面下0.5 m～3.0 m,相應標高0.79 m～2.29 m。根據本地經驗,抗浮設防水位可取設計室外地坪下0.5 m或鄞東中塘河規劃100 a一遇的防洪設計水位2.96 m(1985國家高程基準)。

4 隧道與橋樁凈距及線間距確定

經過與金達路跨線橋設計單位溝通,設計時考慮使用階段相鄰橋墩差異沉降10 mm,綜合以上國內外相關規范和經驗總結,針對寧波地區地質特點和金達路跨線橋結構基礎形式,本段區間盾構穿越金達路跨線橋樁基的變形控制建議限值:橋樁水平位移值控制在10 mm以內;相鄰橋墩差異沉降控制在5 mm內(縱向)。

寧波地鐵5號線富強路站—海晏南路站區間與金達路跨線高架橋走向一致,前殷停車場出入場線八字線方案分別從富強路站和海晏南路站接入,三線隧道需沿金達路跨線橋兩側長距離并行且有交叉節點,隧道需滿足一定的安全凈距以降低工程風險,同時受道路紅線和周邊建筑物影響,線路空間嚴重受限。考慮到金達路兩側均為住宅小區,拆遷費用較大,故地鐵線路均緊貼金達路跨線橋,距離極近。

對盾構區間可穿行空間進行分析。根據搜集到的公路橋和住宅樓資料,借鑒同類工程經驗,同時考慮三線并行隧道線間距對施工風險的影響、上下交疊隧道控制凈距、盾構施工對橋梁及建筑物基礎影響、線間距過大對聯絡通道施工的影響、近距離下穿居民區引起的社會影響,多種因素控制下的盾構區間可穿行空間范圍滿足了側穿金達路跨線橋時,與橋樁凈距在0.3D以上。出入場線與正線并行段凈距為3.3 m～4.8 m,同時出入場線與正線隧道交叉節點處凈距控制為4.65 m和5.3 m,施工自身風險等級為Ⅱ級[6-7]。

本段區間涉及三線并行交疊隧道,根據上海、杭州等軟土地區并行、交疊隧道施工經驗,采用先下后上的施工順序,先施工正線隧道、后施工出入場線隧道,減少因下穿隧道施工引起上部地層和隧道變形的影響。三線長距離并行和交疊節點處理措施:對出入場線上跨正線隧道節點前后10 m范圍進行高壓旋噴樁預先加固。上跨隧道施工時已施工完成的正線隧道采用洞內鋼支撐加固、縱向加緊聯系條和通過管片預留的注漿管對隧道外土體進行注漿加固。盾構穿越后,根據地面及建、構筑物變形情況,打開管片內預埋注漿管,及時對周圍土體進行壁后注漿加固;金達路跨線橋施工時已考慮后期區間隧道側穿的可能性,對影響范圍內橋樁進行高壓旋噴樁加固。通過制定以上處理措施,理論上可以降低風險為可接受級別。

5 數值分析及驗算

查閱相關文獻,目前文獻主要研究了隧道施工對近鄰樁基影響的規律,但大部分文獻都是針對泛指意義上的隧道來進行研究的,而不是專門針對盾構隧道來研究的。盾構法隧道施工在開挖、支護等方面具有自身的特點,其在對周圍土體的影響上與采用其他施工方法施工的隧道可能有著較大的區別,這樣對近鄰樁基的影響可能會有不同性質和程度的影響。

另外,各種文獻中對軟土地基中盾構掘進引起的水平變形樁基承載能力、樁基鋼筋應力變化、樁周摩阻力散失比例及深度方向分布特性等方面研究存在些許不足。

本節主要針對隧道施工過程中對周圍地層影響和變形進行分析,研究隧道施工引起的土體松動區變形分布特性,以及墩臺位置和隧道施工主要影響區內預先進行注漿加固的效果。假定土層呈勻質水平狀分布;濾管片接頭影響以及錯縫拼裝方式對襯砌整體剛度的折減作用(取厚度及剛度折減系數為0.8);各土層采用彈塑性材料模型,管片襯砌采用彈性材料模型;不考慮土體固結引起的隧道長期沉降;數值模擬所受水土壓力按靜止土壓力計算。三維計算模型見圖2,橋樁及施工盾構隧道變形云圖見圖3,地層變形云圖見圖4。

經計算分析,雙線穿越后地表沉降量為17.5 mm,縱向差異沉降率0.047%,入場線穿越后地表沉降29.4 mm,縱向差異沉降率0.079%,橋樁水平位移最大值為右樁4.4 mm,承臺最大沉降量為4.48 mm,差異沉降1.46 mm,滿足建議的變形控制限值。

根據設計資料驗算,樁基強度滿足抗彎和抗剪要求。從數值模擬計算結果來看,盾構穿越引起的差異沉降量在設計允許范圍內,在施工措施中管片外注漿加固土層,來降低深層土體變形影響,并預留對相鄰跨支座支頂調整的措施。根據施工過程中的監測結果,當差異沉降量超出報警值時,應進行調整。

6 結語

本區間走向與金達路跨線高架橋走向一致,金達路兩側均為住宅小區,拆遷費用較大,因此本區間線路利用金達路立交橋樁基礎和住宅小區之間的空隙通過,優化并行隧道線間距和交叉處凈距,控制區間結構與市政橋梁樁基之間的距離大于0.3D,通過采取地面旋噴加固,區間洞內鋼支撐加固、縱向加緊聯系條對隧道外土體進行注漿加固的處理措施降低風險等級,經風險分析和數值計算,盾構施工對橋樁承載力和結構安全影響較小,可以保障金達路跨線橋的正常使用,從風險管理角度,依據區間結構與周邊環境設施的鄰近關系、施工影響區內控制建筑物的重要性、鄰近關系、結構基礎形式與施工工法自身風險等多種因素,對風險源進行識別,采取相應的保護措施,降低風險等級至可接收的級別,隧道近接穿越金達路跨線橋樁基風險等級為Ⅲ級,隧道并行和交叉節點處風險等級Ⅲ級,為可接受風險等級。目前寧波地鐵5號線已經順利完成施工,通車運營,本區間海晏南路站改為曹隘站,百丈路站改為柳隘站,根據施工方監測數據反饋,結果與計算基本吻合。