淺埋暗挖法地鐵隧道近距離下穿橋梁的數(shù)值模擬分析與設計

劉猛

摘 要：針對淺埋暗挖法施工的地鐵隧道近距離下穿簡支橋梁施工工況進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合淺埋暗挖法理論，將結(jié)果用于細化和優(yōu)化工法設計并指導施工。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道 淺埋暗挖 下穿橋梁 數(shù)值模擬

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0068-03

由于軌道交通線路走向基本處于城區(qū)范圍，沿線通常建筑林立、交通繁忙、市政管線繁多，對地鐵區(qū)間隧道的設計和施工將帶來很大困難。本文通過對大連地鐵2號線某淺埋暗挖法[1]區(qū)間臨近下穿擴大基礎簡支梁橋—灣家橋的模擬分析、設計及成功施工的介紹，望對后期軟弱巖層內(nèi)類工法的項目實施提供有益的借鑒性參考。

1 工程概況

1.1 隧道與灣家橋關(guān)系

本區(qū)間為淺埋暗挖法施工的單洞單線隧道，左右線隧道水平凈距6.5 m，隧道埋深8～10 m。隧道斜穿灣家橋區(qū)段影響長度約68 m。灣家橋橋面寬20.5 m，為3×18.0 m簡支板橋，橋梁墩臺為圬工結(jié)構(gòu)，擴大基礎坐落于強風化石英巖夾板巖地層。區(qū)間隧道自東向西依次下穿灣家橋4個橋墩，其中1號橋墩為最不利橋墩，橋墩底距隧道拱頂3.5～4.9 m不等。區(qū)間隧道與橋梁關(guān)系如圖1、圖2所示。

1.2 穿橋段地質(zhì)、水文概況

（1）地質(zhì)概況。

區(qū)間穿橋段地面至拱頂主要為素填土、卵石、中風化石英巖、中風化石英巖夾板巖。邊墻主要為強風化板巖、強風化石英巖夾板巖地層。各地層性質(zhì)描述如下，區(qū)間所處地層情況詳見圖1。

①1素填土：黃褐色，主要成分為碎石、粘性土。

②3卵石：呈亞圓形，粒徑20～200 mm不等，含量占60～70%左右，粘性土和砂礫石充填粒間孔隙，局部漂石，稍密-中密狀態(tài)。卵石層為強透水層，滲透系數(shù)K=100 m/d。

③2強風化石英巖夾板巖：巖芯多呈碎塊狀，碎片狀，碎塊用手可折斷遇水易軟化。強風化石英巖夾板巖具中等透水性，滲透系數(shù)K=10.0 m/d。

④3中風化石英巖夾板巖：巖芯呈塊狀、短柱狀，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級V級。中風化石英巖夾板巖具中等透水性，滲透系數(shù)K=4.0 m/d。

（2）地下水概況。

灣家橋下方馬欄河于場區(qū)自北向南穿過，豐水期河水上漲。場區(qū)地下水類型主要是土層孔隙水及基巖裂隙水，土層孔隙水主要賦存于素填土及卵石中，為主要含水層，透水性較好，水量豐富；基巖裂隙發(fā)育，裂隙水主要賦存于強風化和中風化巖中，水量一般。

2 工況數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

選取最不利的1號墩臺進行計算模擬。土體采用平面應變CPE8R單元模擬，襯砌采用二次梁單元B22模擬。模型共40787個節(jié)點，127個B22單元，13422個CPE8R單元。橋梁荷載等效為墩底范圍內(nèi)的均布荷載，取為60kPa。土體兩側(cè)豎直邊界約束水平位移，底部約束水平和豎向位移。有限元計算網(wǎng)格、荷載及邊界條件（見圖3）。土體均采用Mohr Coulomb模型模擬，巖體、襯砌和橋梁承臺采用線彈性模型模擬。計算時，先平衡土體的自重應力，得到初始應力場，然后模擬隧道的開挖和支護過程。

2.2 計算結(jié)果

經(jīng)模擬計算，得到區(qū)間隧道施工對地層及橋梁墩臺的影響結(jié)果（見圖4、圖5）。

從圖中可以看出，土體和承臺的沉降及襯砌變形較小，都在限值范圍之內(nèi)。具體數(shù)值為：

（1）地表沉降約13 mm。（2）承臺基礎沉降約10.6 mm。（3）初支變形約11.2 mm。

考慮灣家橋的實際使用情況，并依據(jù)根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[4]，在設置合理的開挖技術(shù)措施后，橋梁基礎整體傾斜應小于0.2%，考慮橋梁在施工過程及工后沉降過程中可能已產(chǎn)生了一定的整體傾斜，區(qū)間隧道施工過程中建筑物的傾斜按0.1%控制。在施工過程中，河道地表沉降按10 mm控制。

根據(jù)以上分析，在考慮各項施工措施后由隧道開挖引起的橋梁變形數(shù)值均在容許范圍之內(nèi)。同時根據(jù)計算結(jié)構(gòu)對墩臺變形較大的沉降趨勢進行針對性加強，以最大限度減小區(qū)間下穿期間對橋梁的影響。

3 風險點及不利因素與其設計應對措施

3.1 風險點及不利因素

（1）區(qū)間下穿橋梁區(qū)段拱部地層局部有卵石分布，地下水豐富，開挖易形成涌水、塌方。

（2）區(qū)間隧道拱頂至橋梁墩臺底部距離過近，尤其以1號墩臺僅3.5 m；橋梁墩臺為圬工結(jié)構(gòu)，對地基變形敏感。

（3）下穿橋梁區(qū)段位于300 m小半徑曲線范圍，開挖施工軸線調(diào)整頻繁對施工控制不利。

（4）橋面交通量大，尤其夜間多有渣土運輸?shù)戎剌d車輛通行。

3.2 主要設計應對措施

（1）首先對拱頂3 m范圍卵石層進行洞內(nèi)深孔注漿預注漿加固，形成有效拱頂棚護加固體同時有效止水。

（2）兩條隧道開挖應拉開距離，掌子面前后間距不小于20 m。對前方地層進行地質(zhì)超前探孔，沿拱頂150°均布3～5個超前探孔，孔深4 m，打設角度斜向上30°。

（3）隧道開挖采用超前注漿小導管進行超前支護，初期支護采用300 mm厚C25噴射混凝土，格柵鋼架間距0.5 m，小導管長2.5 m，環(huán)縱間距0.3 m×1.0 m）。

（4）施工本段區(qū)域時采用人工開挖或機械開挖。做好與相關(guān)單位協(xié)調(diào)工作，并在隧道施工階段對灣家橋?qū)嵭薪煌飨蚩刂啤?/p>

（5）施工采用超短臺階開挖（臺階步距3 m），初支快速封閉成環(huán)，上臺階開挖需留設核心土。

（6）施工前應對灣家橋進行評估，并由相關(guān)單位明確其允許變形值及沉降值等指標。

4 隧道下穿橋基施工

施工前組織了相關(guān)專家會同橋梁權(quán)屬部門對橋梁進行評估，橋梁現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)情況較好，橋梁變形限值如下：絕對沉降值<10 mm，橫向差異值<5 mm，同跨相鄰墩臺間縱向差異沉降<15 mm。施工方在隧道施工前根據(jù)評估結(jié)論以及設計方案進行了細致的專項施組、應急預案的編制并制定了專項量測方案。

4.1 監(jiān)測專項方案

（1）洞內(nèi)及洞外巡視：觀察地層及其穩(wěn)定情況，觀察已施工地段支護結(jié)構(gòu)的情況，觀察已施工地段地表和橋梁結(jié)構(gòu)狀況。

（2）地表沉降監(jiān)測：隧道上部地面布設水準觀測點，定期量測地表變化情況。

（3）灣家橋上部結(jié)構(gòu)及墩臺基礎的沉降及傾斜監(jiān)測。

（4）初支拱頂沉降監(jiān)測、初支側(cè)墻凈空收斂監(jiān)測。

根據(jù)前述變評審限值作為預警值，同時施工安全判別標準，其指導性安全判別標準如下：（F=實測值/控制值）：F<0.7：安全；0.7≤F<0.85：黃色預警；0.85≤F<1：橙色預警；F≥1：紅色預警。根據(jù)預警級別制定針對性應對措施。

4.2 應急預案

在進行工程施工時，制定并嚴格落實各項防塌限沉措施，同時施工掌子面儲備好各種搶險物資。在發(fā)生施工掌子面突發(fā)性塌方時立即啟動搶險預案，采取下列措施：

（1）立即使用搶險物資對塌方處進行封閉回填和加固處理。同時把有關(guān)信息上報各參建單位聯(lián)合采取必要的搶險措施，加強對灣家橋的檢查和量測工作。

（2）組織專家討論分析造成掌子面突發(fā)性塌方的原因和相應的控制措施。

（3）根據(jù)確定的控制措施重新制定或調(diào)整施工工藝和施工組織，進行施工交底，嚴格落實各項措施再進行開挖施工。

（4）、橋下準備好臨時支頂圓木、型鋼及千斤頂?shù)炔牧?，確保橋梁上部結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)性破壞。

4.3 施工過程監(jiān)測情況

經(jīng)對施工、監(jiān)測等各項措施的保證，兩條隧道先后安全穿越橋梁，橋梁施工過程對1號墩臺監(jiān)測變形終值（見圖6）。

根據(jù)隧道施工期間的監(jiān)測情況，通過地層處理以及加強支護措施后，橋梁墩臺變形絕對值最大為5.6 mm<10 mm，墩臺傾斜值為0.089%<0.1%，最大差異沉降3.2 mm<5 mm?？梢?，均未超過分析結(jié)果以及專家評估數(shù)值，驗證了設計、施工方案的安全性。

5 結(jié)論與建議

通過本區(qū)間隧道下穿橋梁的安全實施，首先驗證了模型分析對結(jié)構(gòu)施工變形趨勢及數(shù)值的合理預測，在此基礎上加強制定的針對性施工措施以及施工過程中嚴格按照設計方案以及落實信息化施工的原則，最終該工程順利、安全實施完成。通過此施工實例，得到如下結(jié)論：

（1）對復雜巖層內(nèi)隧道施工采用合理的模型分析，可以就各施工工況對地層、結(jié)構(gòu)的影響進行針對性分析，可具體得到施工影響結(jié)果并據(jù)此采取針對性技術(shù)措施。

（2）基礎位于相對整體性較好的巖層時，對下方超過2.5 m埋深的結(jié)構(gòu)荷載基本成均布形式。

（3）淺埋暗挖法下穿基礎時采用較強的超前支護及初期支護措施，并嚴格按照超短臺階進行開挖同時留設核心土，并確保初支結(jié)構(gòu)的及時封閉，可對上部結(jié)構(gòu)影響可減小到最低。

參考文獻

[1] 王夢恕.北京地鐵淺埋暗挖法施工[J]. 巖石力學與工程學報，1989，8：52-62.

[2] 陳龍，黃宏偉.巖石隧道工程風險淺析[J].巖石力學與工程學報，2005，24（1）：110-115.

[3] 張慶民，彭峰.地下工程注漿技術(shù)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2008.

[4] JTGD63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].