沈陽礦山法地鐵區間下穿人行天橋工程措施及施工影響分析

趙 偉,王 洋

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

沈陽市建成了大量橋梁、管線、地鐵、管廊等基礎設施,在建的地鐵3號線及6號線工程均大量穿越臨近既有建(構)筑物,文章對沈陽地鐵3號線一期工程工業展覽館站—五愛街站區間下穿陸軍總院人行天橋橋樁的影響進行分析。王軍琪等[1]對地鐵礦山法隧道施工過程有限元模擬進行了研究,曾東洋等[2-5]等對地鐵礦山法隧道臨近既有建(構)筑物施工對既有建(構)筑物的影響及保護措施進行了研究。文章主要通過有限元計算的方法,對礦山法地鐵區間下穿人行天橋工程進行分析計算研究,為施工提出建議,確保人行天橋安全。

1 工程概況及人行天橋保護措施

1.1 區間下穿人行天橋工程概況

沈陽地鐵3號線一期工程工業展覽館站—五愛街站區間采用礦山法施工,復合式襯砌結構,區間隧道開挖地層主要為礫砂層。區間隧道為馬蹄形斷面,斷面寬度6.4m,高度6.63m,初支采用C25早強噴射混凝土,襯砌厚度250mm,二襯采用C40混凝土,襯砌厚度350mm。區間隧道下穿陸軍總院人行天橋橋樁,區間隧道與橋樁豎向間距約3.97～6.47m。區間隧道與人行天橋位置關系見圖1、圖2。

圖1 隧道與人行天橋位置關系平面圖

圖2 隧道與人行天橋位置關系剖面圖(單位:mm)

陸軍總院人行天橋結構主梁跨度為13.85m+25m+12.8m,為鋼梁,連續梁橋,梁高0.75m,梁寬4m,天橋人群荷載為4.5kN/m2。主橋采用鋼管混凝土橋墩,橋墩寬0.8m,厚0.5m,采用挖孔樁基礎,樁徑1.5m,樁長5～7.5m。

1.2 區間下穿人行天橋保護措施及變形控制標準

(1)區間下穿人行天橋具體保護措施如下:

a.為控制隧道施工引起的沉降,在施工中應嚴格遵照“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤測量”的十八字原則。

b.在左、右線區間隧道下穿人行天橋區段上半斷面輪廓外3.0m范圍內土體進行超前深孔注漿加固;深孔注漿采用wss無收縮后退式深孔注漿工藝,注漿材料采用水泥漿,注漿終壓0.5～1MPa,加固土體無側限抗壓強度q/u≥1.0MPa,滲透系數不大于10-6cm/s。

c本區段增設臨時仰拱,區段范圍等同深孔注漿范圍。

d.采用上下臺階法進行施工,設置臨時仰拱。以小導管做超前支護,每個臺階開挖時,兩拱腳施做鎖腳錨管增加格柵穩定性。

e.施工加強初支背后注漿和二襯背后注漿有效控制地面沉降。

f.施工中應對開挖面前方土體進行超前探測,以便提前采取預防措施,避免土體失穩。

g.施工時進行實時監控,加強監控量測,提高監測的數量及頻率,根據監測反饋信息,隨時調整施工參數,必要時增加臨時支撐或調整開挖支護施工順序,或提前施作二次襯砌。

h.設置地面支頂措施。

(2)根據相關規范及人行天橋現狀,對人行天橋采用嚴格的變形控制指標,如表1所示。

表1 人行天橋變形控制指標

2 施工模擬計算分析

2.1 下穿工程三維有限元計算模型

模型分析工業展覽館站—五愛街站區間施工對文化路陸軍總院人行天橋的影響。建立考慮區間隧道、既有人行天橋結構的三維地層結構有限元模型。模型長110m,寬110m,高40m。網格劃分采用六面體+四面體混合單元,模型總單元數約16.3萬個。地層結構模型中土層單元采用實體單元模擬,摩爾庫倫材料模型;既有文化路陸軍總院人行天橋主橋橋墩、承臺采用實體單元模擬,彈性材料模型,梯道橋墩及橋樁采用梁單元模擬,彈性材料模型;新建區間隧道襯砌采用板單元模擬,彈性材料模型;注漿加固土層采用實體單元模擬,摩爾庫倫材料模型。在模型底部施加豎向約束,模型四個側面分別施加垂直于側面方向的水平位移約束。模型施加重力荷載,天橋橋墩頂部施加橋梁荷載,模型見圖3、圖4。

圖3 計算整體模型

圖4 結構模型詳圖

2.2 主要計算參數

(1)巖土參數

區間隧道下穿人行天橋位置土層主要為:①雜填土、③-3中粗砂、③-4礫砂、④-3中粗砂、④-4礫砂、④-5圓礫、⑤-4礫砂。各土層參數見表2。

表2 地層參數表

(2)結構參數

模型中區間隧道結構及人行天橋結構參數見表3。

表3 區間隧道結構力學參數表

2.3 施工過程模擬

(1)總體施工步序

區間隧道開挖前首先進行施工降水,降水完成后首先進行區間右線施工,然后進行區間左線施工。區間左、右線施工方向均為由五愛街站方向到工業展覽館站方向(由東向西),模擬計算總體施工步驟見圖5。

圖5 總體施工步序

(2)區間隧道下穿天橋段上下臺階法施工模擬

第一步:超前深孔注漿加固地層。

第二步:開挖上導洞,施做初期支護、臨時仰拱,打設鎖腳錨桿。

第三步:上導洞開挖5m后開挖下洞室,施作初期支護。

第四步:待隧道圍巖變形穩定后,敷設仰拱部分防水層,澆注二襯。

第五步:敷設防水層,拆除臨時仰拱,施作余下二襯。

2.4 計算結果分析

B號橋墩沉降主要受施工降水影響,受區間暗挖施工影響較小,C、D號橋墩受區間施工影響均較大。右線區間施工對其上方的C號橋墩影響最大,左線施工對D號橋墩影響均較大。D號橋墩底部沉降變形最大,橋墩底部最大沉降為5.12mm。沉降云圖及變化曲線見圖6、圖7。

圖6 施工完成橋墩沉降云圖(單位:mm)

圖7 橋墩沉降隨施工步變化曲線(單位:mm)

B號橋墩底部在左線線施工過程中水平變形始終為正值方向,C號橋墩在右線施工階段產生負值方向變形,左線施工階段產生正值方向變形。D號橋墩在右線施工階段產生負值方向變形,左線施工階段產生正值方向變形。B號橋墩底部水平變形量最大,橋墩底部最大水平變形量為0.66mm。變形云圖及變化曲線見圖8、圖9。

圖8 施工完成橋墩水平變形云圖(單位:mm)

圖9 橋墩水平變形隨施工步變化曲線(單位:mm)

B號橋墩與C號橋墩沉降差在右線施工及左線施工階段均明顯增加,C號橋墩與D號橋墩沉降差在右線施工階段逐漸增加,在左線施工階段逐漸減小。最大沉降差為B號橋墩與C號橋墩的差異沉降,最大差異沉降為3.92mm。橋墩傾斜均較小,橋墩最大傾斜發生在D號橋墩,最大傾斜量為0.15‰,詳見圖10、圖11。

圖10 相鄰橋墩沉降差隨施工步變化曲線(單位:mm)

圖11 橋墩傾斜隨施工步變化曲線(單位:‰)

3 結論與建議

文章采用有限元計算方法分析工業展覽館站—五愛街站礦山區間施工對既有陸軍總院人行天橋的影響,分析了陸軍總院人行天橋橋墩變形隨施工步的變化情況,得出如下結論:

(1)本工程礦山法區間施工人行天橋橋墩底部最大沉降量為5.12mm,最大差異沉降量為3.92mm,墩底部最大水平變形量為0.66mm,橋墩最大傾斜為0.15‰,可以保證人行天橋安全。

(2)橋墩變形以沉降變形為主,水平變形相對較小,施工期間應加強對橋墩沉降變形的監測。

(3)深孔注漿加固應嚴格控制注漿管打設精度及注漿壓力,減小注漿加固對陸軍總院人行天橋的影響,進行注漿試驗,并對加固效果進行檢驗,注漿效果需達到設計要求。

(4)做好施工應急預案及三級預警系統,當地表沉降、區間初支結構或陸軍總院人行天橋結構變形達到警戒限值時,需立刻采取施工應急預案。