哈爾濱地鐵哈農(nóng)區(qū)間下穿鐵路橋施工過程模擬分析

祁 輝，朱宏偉，李廷剛，馬偉斌

(1.哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;3.交通運輸部 公路科學(xué)研究院，北京 100088)

1 工程概況

哈爾濱南站站—農(nóng)科院站區(qū)間位于學(xué)府路規(guī)劃道路正下方。學(xué)府路是城區(qū)主干道，規(guī)劃道路寬80 m，隧道中線與規(guī)劃道路永中基本平行。道路兩側(cè)為農(nóng)科院、農(nóng)科院試驗田、哈達水果批發(fā)市場、民宅等科研及民用設(shè)施，最近處距區(qū)間隧道30 m以外。

哈爾濱南站站—農(nóng)科院站區(qū)間在 SK0+383.882—SK0+693.077(長度 309.195 m)、XK0+387.605—XK0+697.347(長度309.742 m)段下穿哈爾濱南站1號—9號鐵路橋，其中1號橋為框構(gòu)橋，無樁基，橋梁底板距隧道頂部約1.7～2.0 m。該橋通行貨運列車，車速不超過30 km/h。穿越段隧道拱部采用φ108 mm大管棚+φ42 mm小導(dǎo)管超前支護，采用自進式管棚，平行鉆進，在管棚保護下采用臺階法+臨時仰拱施工。管棚采用熱軋無縫鋼管φ108 mm，壁厚8 mm，環(huán)向間距30 cm，方向與路線中線平行;開挖采用人工風(fēng)鎬開挖。1號框構(gòu)橋與新建地鐵區(qū)間隧道關(guān)系如圖1所示。

圖1 1號橋和地鐵隧道關(guān)系(單位:m)

2 工程地質(zhì)

下穿鐵路橋區(qū)間所處地段屬崗阜狀高平原地貌單元，地面高程介于165.45～166.85 m之間，高差約1.40 m。根據(jù)鉆探揭示及對地層成因、年代的分析，本工點地層主要由第四紀全新世人工堆積層、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層、中更新統(tǒng)上荒山組地層、下荒山組地層組成，巖性為粉質(zhì)黏土、砂類土。區(qū)間隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層，底部主要位于粉質(zhì)黏土層，粉質(zhì)黏土層標貫擊數(shù)在14.50左右，基底承載力滿足設(shè)計要求。本區(qū)間地下水主要賦存于沖洪積地層內(nèi)，水溫12℃～14℃。含水層主要為孔隙潛水。地下水埋藏較深，對區(qū)間施工不會產(chǎn)生影響。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》DB23/902—2005，本場地標準凍結(jié)深度為2.00 m。場地上部地層主要由黏性土組成，凍脹等級為Ⅱ～Ⅳ，凍脹類別為弱凍脹～凍脹。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 計算模型及參數(shù)

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件。模型全長31.00 m，其中1號橋長10.11 m，模型橫向58.28 m，豎向30.00 m，埋深10.35 m。模型邊界尺寸分別為58.28 m×31.00 m×30.00 m。共劃分131 886個單元，140 343個節(jié)點?？紤]到框構(gòu)橋與各層土體在初始應(yīng)力平衡及加載期間會出現(xiàn)滑移與脫空，在框構(gòu)橋與土層之間建立接觸面，區(qū)間地鐵隧道穿越地層參數(shù)如表1所示。劃分網(wǎng)格后的實體模型見圖2所示。

表1 地層參數(shù)

圖2 1號框構(gòu)橋有限元計算模型

模擬實際施工過程中的開挖步序與預(yù)加固措施，一方面需要根據(jù)模擬計算的結(jié)構(gòu)，對照實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證模擬計算的可靠性。另一方面根據(jù)計算結(jié)構(gòu)分析在穿越過程中鐵路橋梁的沉降發(fā)展規(guī)律，以及地表沉降情況。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在不影響計算結(jié)果的前提下，本次計算對大管棚、超前導(dǎo)管加固作適當簡化，盡可能真實地模擬實際施工過程。具體做法是用提高土體力學(xué)參數(shù)的方法模擬大管棚支護及超前導(dǎo)管注漿加固效果。為了提高計算精度，在計算中對施工步序進行了嚴格模擬。按照實際的上下臺階法進行模擬，每循環(huán)進尺0.5 m，上臺階預(yù)留核心土，保證掌子面與核心土間距2.0 m，上臺階掌子面與下臺階間距3.0 m，上行和下行隧道前后錯開20.0 m開挖，本次計算中，荷載按照實際情況折算施加。

通過以上施工步序的控制，分析整個開挖支護過程隧道拱頂下沉、水平變形及框構(gòu)橋底板的變形特性。

3.2 模擬計算結(jié)果

3.2.1 隧道變形計算

下穿1號框構(gòu)橋隧道變形參數(shù)計算結(jié)果見表2。本模型計算中所提到的橋監(jiān)測原點是位于計算模型中框構(gòu)橋農(nóng)科院站一側(cè)，計算監(jiān)測點沿上行線隧道走向水平布置;隧道監(jiān)測原點是位于計算模型中農(nóng)科院站一側(cè)，計算監(jiān)測點沿上行線隧道走向水平布置;軌道監(jiān)測原點是位于計算模型中哈南站站一側(cè)的起始剖面上，沿鐵路軌道走向水平布置。

隧道下穿1號橋拱頂縱向沉降及水平變形分布如圖3和圖4所示，按照上行、下行線隧道相距20 m的開挖方式施工，至變形穩(wěn)定后，上行線隧道的最大拱頂下沉為14.25 mm;下行線隧道的最大拱頂下沉為13.43 mm，拱頂下沉量均超過限值10 mm。

表2 下穿1號框構(gòu)橋隧道變形參數(shù)計算結(jié)果

3.2.2 隧道施工對框構(gòu)橋的影響分析

1)框構(gòu)橋的變形分析?？驑?gòu)橋底板垂向位移計算結(jié)果見表3。由表3和圖5可以看出，按照上行、下行線隧道相距20 m的開挖方式施工，至變形穩(wěn)定后，公路主路與輔路下1號框構(gòu)橋底板最大沉降量分別為14.46，14.15 mm，超過限值 10.00 mm。

表3 下穿1號框構(gòu)橋底板垂向位移計算結(jié)果

2)框構(gòu)橋脫空分析

隧道施工將會引起框構(gòu)橋底板出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，過大的脫空將導(dǎo)致框構(gòu)橋底板出現(xiàn)裂縫。由計算結(jié)果可知，在施工過程中，將導(dǎo)致1號框構(gòu)橋在已有變形基礎(chǔ)上向下行線稍有傾斜。計算出框構(gòu)橋底板與墊層垂向位移，二者最大變形均發(fā)生在正中位置里側(cè)，框構(gòu)橋底板最大變形為13.03 mm，相同位置處墊層的最大變形量為13.74 mm，二者基本接近;正中位置外側(cè)，框構(gòu)橋底板最大變形為11.06 mm，相同位置處墊層的最大變形量為11.98 mm，有脫空現(xiàn)象發(fā)生。

3)框構(gòu)橋差異沉降分析

圖3 隧道拱頂下沉沿縱向分布

圖4 隧道水平變形沿縱向分布

圖5 1號框構(gòu)橋垂向位移沿縱向分布

框構(gòu)橋角點垂向位移監(jiān)測點位置見圖6，框構(gòu)橋角點垂向位移計算結(jié)果見表4。由表4可知，隧道施工導(dǎo)致了框構(gòu)橋出現(xiàn)了差異沉降，且差異沉降為0.12 mm，遠小于要求 0.001L=0.001×38 280=38.28 mm，在1號框構(gòu)橋前期服役狀態(tài)正常的情況下，1號框構(gòu)橋可能出現(xiàn)整體沉降超標，但結(jié)構(gòu)整體安全。

圖6 框構(gòu)橋角點監(jiān)測位置

表4 下穿1號框構(gòu)橋角點垂向位移計算結(jié)果

3.2.3 隧道施工對路面的影響分析

主路路面垂向位移計算結(jié)果見表5和圖7，路面沉降最大值發(fā)生在隧道通過框構(gòu)橋范圍，且最大值為13.01 mm。

表5 下穿1號框構(gòu)橋路面垂向位移計算結(jié)果

4 結(jié)論及建議

圖7 1號框構(gòu)橋公路主路路面垂向位移沿縱向分布

哈農(nóng)區(qū)間地鐵下穿1號鐵路橋，計算出隧道的拱頂下沉及框構(gòu)橋底板下沉均超過限值10 mm，且橋底板有脫空現(xiàn)象;但框構(gòu)橋的差異沉降較小，在允許范圍內(nèi)。據(jù)此，建議施工中采取以下措施。

1)建議對1號橋下穿段在已采取超前支護措施的基礎(chǔ)上，上臺階封閉后，及時對初支背后進行注漿，區(qū)間隧道全斷面封閉后，對施工拱部影響區(qū)地層進行深孔補償注漿，深孔補償注漿管長、注漿壓力、漿液等依據(jù)現(xiàn)場實際情況確定。

2)加大監(jiān)測頻率，實時掌握橋梁變形情況，根據(jù)橋梁變形發(fā)展趨勢，必要時加大注漿范圍。

3)由于脫空病害具有隱蔽性，施工時，在初期支護完成后，對區(qū)間隧道開挖影響的范圍進行物探，探測框構(gòu)橋底板的脫空位置、脫空程度，根據(jù)探測結(jié)果對框構(gòu)橋脫空區(qū)進行注漿加固處理，避免底板脫空現(xiàn)象進一步發(fā)展，改善橋梁受力狀況，保證區(qū)間隧道施工過程中鐵路橋的安全服役。

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