地鐵隧道施工對既有橋梁變形控制技術(shù)研究

王博，張保圓

(1.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，銀川 750021;2.中鐵十二局第二工程公司，太原 030024)

地鐵隧道施工對既有橋梁變形控制技術(shù)研究

王博1，張保圓2

(1.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，銀川 750021;2.中鐵十二局第二工程公司，太原 030024)

以西安地鐵二號線十五標段穿越長安立交橋段區(qū)間隧道為依托，采取理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對城市淺埋暗挖隧道施工對既有橋梁的變形控制技術(shù)進行了研究，針對實際工程提出了合理的控制橋梁變形的措施。

暗挖區(qū)間隧道 橋基變形 FLAC模擬 控制技術(shù)

城市地鐵的大量修建必然受到城市既有建筑環(huán)境的制約，導(dǎo)致許多新建的地鐵線只能沿著既有立交橋路線延伸，交織穿行于立交橋的基礎(chǔ)樁群之間。如何在當前的地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中保證隧道上方橋梁、房屋等建筑的安全和正常使用，已經(jīng)成為一個十分重要的問題。開展淺埋地鐵區(qū)間隧道暗挖施工對既有橋梁的變形控制技術(shù)的研究，可以為地鐵區(qū)間開挖過程中鄰近建筑物的安全使用提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 工程背景

西安地鐵二號線區(qū)間隧道左、右線在YDK16+ 610—YDK16+690段長80 m下穿長安路立交橋，隧道開挖拱頂距橋梁主跨基礎(chǔ)底面為7.21～7.94 m。

長安立交橋橋面總寬51.5 m(包括護欄)?；A(chǔ)為擴大基礎(chǔ)，下采用1.5 m厚片石混凝土處理。根據(jù)已收集到南二環(huán)立交橋的竣工資料，初步估算基底承載力為140 kPa。長安立交橋建于1994年，由于地裂縫的活動及人為過量開采地下水的影響，長安立交橋已經(jīng)發(fā)生了不均勻沉降且變形明顯，最大處梁體錯臺已達到22 cm，基本接近危橋狀態(tài)。

擬建區(qū)間場地位于黃土梁洼區(qū)，地表分布有厚薄不等的全新統(tǒng)人工填土();其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積()新黃土及殘積()古土壤;第一層古土壤下部在黃土梁區(qū)為中更新統(tǒng)風(fēng)積()老黃土、殘積()古土壤及沖積()粉質(zhì)黏土、砂土等，在洼地區(qū)為上更新統(tǒng)沖積()粉質(zhì)黏土、砂土及中更新統(tǒng)沖積()粉質(zhì)黏土、砂土等地層。

本區(qū)間地下水埋深介于6.70～10.90 m，地下水高程介于401.35～405.21 m之間。

2 開挖施工方案的FLAC模擬優(yōu)化設(shè)計

本文運用FLAC模擬了兩種可行的地鐵隧道開挖施工方案，最后確定可以有效控制橋基變形的隧道施工方案。

長安立交橋區(qū)間為雙線雙洞隧道，線間距15.0 m，大部分為直線段。區(qū)間隧道為五心圓結(jié)構(gòu)，隧道在開挖前采用小導(dǎo)管周壁預(yù)注漿，初期支護與二襯背后進行回填注漿。

擬建隧道拱頂距橋梁基礎(chǔ)約6.3 m，對長安立交橋區(qū)間設(shè)置長管棚并對其進行注漿。本文主要對長管棚的設(shè)置與否進行對比分析。

2.1 模型的建立

隧道開挖(礦山法)施工采用短臺階法開挖，隧道高6 500 mm，寬6 280 mm，隧道左線中線與隧道右線中線相距15 m，拱頂距地表9.718 m。本文選取隧道1－1斷面進行模擬，選取段如圖1所示，選取50 m×1 m×27.5 m(長×寬×高)的區(qū)域建立FLAC計算模型(圖2)，模型產(chǎn)生單元數(shù)9 408，節(jié)點數(shù)12 848。

2.2 開挖模擬

本文應(yīng)用殼體單元模擬超前支護的作用，以襯砌單元模擬初期支護的作用，應(yīng)用錨桿結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿的作用。模型建立完成之后，進行開挖計算。計算模型模擬過程分為五個步驟進行:①初始地應(yīng)力計算;②隧道超前支護;③進行上部開挖;④施作初期復(fù)合式襯砌;⑤下部開挖并施作下部初期復(fù)合式襯砌。

模擬過程與施工過程同步，長管棚設(shè)置超前小導(dǎo)管注漿，進行簡化模擬，方法是長管棚打設(shè)及管棚注漿簡化殼體單元，殼體單元厚度為2倍長管棚注漿擴散半徑，同時將管棚的彈性模量折算給殼體單元，管棚的作用采用等效方法予以考慮，計算方法為

圖1 模擬斷面在隧道中的位置

式中，E為折算后殼體單元的彈性模量;E0為原殼體單元彈性模量;Eg為管棚的彈性模量;Sg為管棚支護等效截面面積;Sc為支護斷面的截面面積。

超前小導(dǎo)管注漿主要簡化方法為增大超前小導(dǎo)管周圍土體的參數(shù)。

2.3 計算結(jié)果分析

圖3給出了無超前預(yù)支護條件下，隧道開挖時地層的豎向位移云圖。此工況中對地層未進行超前管棚注漿及超前小導(dǎo)管注漿，土層性狀未改變，隧道周圍土層抗壓及黏結(jié)強度較低;上部隧道開挖后，拱頂沉降最大421 mm，橋基沉降最大值達到200 mm，均大大超過拱頂沉降及橋基沉降允許值。

圖4給出了超前預(yù)支護條件下，隧道開挖時地層豎向位移云圖。由于對開挖隧道上拱進行了大管棚的設(shè)置，以及超前注漿小導(dǎo)管的設(shè)置，地層的變化最大值較圖3地層變化最大值為小。圖4中隧道拱頂部位產(chǎn)生一個小面積的局部大變形(拱頂沉降)，最大值為40 mm，地表的沉降槽寬度大約為25 m，橋基沉降最大為13 mm;下拱隆起較小;橋基不均勻沉降未超過5 mm，滿足橋梁不返修的條件。

圖3 隧道無超前預(yù)支護開挖豎向位移云圖(單位:m)

圖4 隧道超前支護后上部開挖豎向位移云圖(單位:m)

圖5 隧道超前支護后下部開挖豎向位移云圖(單位:m)

從圖5可以看出，隧道圍巖在下臺階開挖第二次擾動后，隧道上部橋基產(chǎn)生的豎向位移云圖形狀未發(fā)生大的變化，位移變化區(qū)間變?yōu)椋?0～－10 mm和－10～0 mm兩個位移區(qū)間，地表的沉降槽寬度增加為31 m;隧道拱頂部位的局部大變形面積擴大，豎向變形值為－40～－20 mm;橋基不均勻沉降最大值為4.3 mm，滿足橋梁不返修的要求。

FLAC計算表明，上下臺階法施工開挖完成后，橋基最大豎向位移為13 mm，同一個橋基不均勻沉降最大值為4.3 mm，拱頂沉降最大值為41 mm，基本符合沉降允許值。

經(jīng)過以上數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的分析，最后確定施作大管棚加超前小導(dǎo)管注漿后上下分步開挖作為施工方案。

3 橋基變形控制措施

3.1 超前大管棚設(shè)計

1)設(shè)計參數(shù)

管棚打設(shè)范圍80 m;采用φ159×8 mm鋼管;間距(沿區(qū)間隧道拱部輪廓外)400 mm。

2)施工工藝

管棚采用濕鉆法，即膨潤土泥漿護壁水鉆法跟管鉆進，鋼管安裝和鉆機進尺是同一過程。鉆頭采用與鉆管等徑的楔型鉆頭，楔板回轉(zhuǎn)半徑略大于鉆管半徑，鉆頭前端有φ10～15 mm的風(fēng)眼，當鉆頭正常回轉(zhuǎn)鉆進時鉆管沿直線前進。當鉆頭由于某種原因偏離預(yù)定軌跡某一方向時，則需要糾偏。糾偏方法是把鉆頭楔面調(diào)至已經(jīng)偏斜的方向，鉆機停止回轉(zhuǎn)加力頂進，由于斜面的作用鉆頭就會向相反的方向偏斜，以此調(diào)整鉆進的方向。

3)注漿參數(shù)設(shè)計

大管棚注漿采用水泥漿，水灰比為1∶0.8，注漿量根據(jù)鋼管內(nèi)和鋼管外的環(huán)狀間隙計算，然后看地層滲漏情況確定每一根鋼管的注漿量。注漿要求管內(nèi)排出水泥漿后，關(guān)閉排漿閥，泵壓控制在0.8～1.2 MPa以內(nèi)停止注漿，停15～30 min進行二次補漿。

3.2 超前小導(dǎo)管注漿注漿設(shè)計

1)施工工藝

為改良工作面前方地層，保證開挖工作面的穩(wěn)定，隧道開挖時須采用超前小導(dǎo)管注漿加固地層。在一般土層超前小導(dǎo)管采用外徑φ42×3.5 mm焊接鋼管;小導(dǎo)管根據(jù)格柵間距一榀或兩榀打設(shè)一次，沿隧道縱向搭接長度為1 m，環(huán)向間距300 mm;如遇到特殊地層，可根據(jù)現(xiàn)場情況一榀打設(shè)一次。

2)打設(shè)范圍

起拱線以上范圍;若全斷面為砂層則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況擴大打設(shè)范圍，保證工作面穩(wěn)定。

3)小導(dǎo)管漿液材料

一般情況下采用改性水玻璃，有水情況下采用水泥-水玻璃雙液漿。注漿量、配比、注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場試驗確定，要求注漿擴散半徑不小于0.25 m。

4 橋基變形監(jiān)測

列出橋基沉降JQ1系列監(jiān)測點累積沉降變形曲線如圖6。

JQ1各點變形規(guī)律分析。

JQ1-4:前期變化不穩(wěn)定，但保持在4～5 mm之間，7月20日以后變形穩(wěn)定在7 mm左右。

JQ1-7:前期變化同JQ1-4監(jiān)測點基本吻合，兩個點處于同一橋樁承臺上，兩點沉降差未超過5 mm，變形處于安全范圍內(nèi)。

JQ1-8:變形曲線于7月25日后漸趨穩(wěn)定，最大變形穩(wěn)定在8 mm左右。

圖6 JQ1系列監(jiān)測點累積沉降變形曲線(單位:mm)

JQ1-11:變形曲線與JQ1-8曲線基本并行，與JQ1-8監(jiān)測點沉降差基本保持在5 mm，變形穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)。

區(qū)間隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)實際橋基累計沉降量略大于數(shù)值模擬中橋基沉降最大值;洞頂沉降與洞內(nèi)收斂值，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)小于數(shù)值模擬值;說明FLAC計算的模型正確，結(jié)果可信并滿足施工要求。

5 結(jié)論

以西安二號線十五標段區(qū)間隧道為實際工程背景，對所研究的區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)特點及施工難點進行了分析。將上下臺階法無超前預(yù)支護與上下臺階法施作大管棚加超前注漿小導(dǎo)管，作為擬采用的兩種隧道開挖施工方案，運用FLAC方法對兩種隧道開挖施工過程進行了模擬，預(yù)測了兩種施工方案引起橋基變形規(guī)律。

根據(jù)FLAC計算預(yù)測得到的橋基變形規(guī)律，建議了施作大管棚加超前小導(dǎo)管注漿和格柵鋼架的聯(lián)合施工方法，為區(qū)間隧道施工期間控制既有長安立交橋變形的施工方案。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明該方案合理可行，為今后此類隧道施工提供了參考。

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TU94+1;U456.3+1

B

1003-1995(2011)02-0064-03

2010-08-03;

2010-10-13

王博(1984—)，男，寧夏銀川人，助教，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)