長距離下穿高速公路地鐵隧道對高速公路的影響

畢 可 為

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110013)

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長距離下穿高速公路地鐵隧道對高速公路的影響

畢 可 為

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110013)

介紹了沈陽地鐵10號線長距離下穿繞城高速公路工程的基本情況與設(shè)計方案，并采用三維數(shù)值計算模型，從公路路基沉降與匝道橋樁變形兩方面，分析了礦山法下穿施工對高速公路的影響，得出了一些有價值的結(jié)論。

地鐵，高速公路，路基，橋樁，沉降值

0 引言

隨著我國軌道交通的快速發(fā)展，新建隧道下穿既有高速公路的情況時有發(fā)生。尤其新建隧道穿越距離較長，影響范圍較廣時，除工程自身結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險外，所穿越的既有高速公路的變形控制是施工過程當(dāng)中的控制重點[1-3]。

對于新建隧道下穿鄰近建(構(gòu))筑物的施工影響，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，王明慧等[5]以重慶至貴陽鐵路擴能改造工程白楊灣隧道下穿高速公路為例，從開挖方法選擇、施工技術(shù)應(yīng)用等方面論述了施工過程中采取的相應(yīng)對策與技術(shù)措施；王洪昌等[4]為解決大西客運專線忻州隧道下穿大運高速公路時可能引發(fā)的路面沉降及結(jié)構(gòu)安全問題，采用三維數(shù)值模擬手段研究了工法中不同設(shè)計參數(shù)及施工對地面沉降的影響；郭磊等[6]以草帽山隧道工程為背景，采用數(shù)值模擬的方式，對鐵路隧道下穿高速公路時對高速公路的影響進行了研究；雖得出了很多有意義的結(jié)論，但是對于地鐵隧道長距離下穿高速公路的研究工作還不多見。本文以沈陽地鐵10號線下穿沈陽繞城高速公路為工程背景，研究隧道施工過程中對高速公路路基及橋樁的變形影響。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

沈陽繞城高速公路是環(huán)繞遼寧省沈陽市的一條高速公路，道路寬約30 m，雙向六車道。在建沈陽地鐵10號線工程丁香湖停車場出入線自丁香公園站起，線路首先沿沈馬公路西側(cè)敷設(shè)，后右轉(zhuǎn)向北先后下穿沈馬公路、沈彰高速B匝道、繞城高速公路北環(huán)、沈彰高速A匝道，后向北方向繼續(xù)敷設(shè)至丁香湖停車場，區(qū)間左線側(cè)穿B匝道橋，最小水平凈距為13 m，該處橋梁為預(yù)應(yīng)力空心板簡支橋，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，橋樁長15 m,樁徑1 m。區(qū)間右線側(cè)穿A匝道橋，最小水平凈距為12.7 m，A匝道橋為沈彰高速公路連續(xù)梁橋，A29號橋臺，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，樁長35 m，樁徑1 m。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，下穿區(qū)間范圍內(nèi)地基土主要由第四系全新統(tǒng)人工堆積層、全新統(tǒng)渾河高漫灘及古河道、第四系渾河新扇、上更新統(tǒng)渾河老扇及第四系波狀臺地粘性土、砂類土、碎石類土組成。下穿繞城高速段地層自上而下特性具體描述見表1。

下穿區(qū)間范圍內(nèi)有兩層地下水，上層地下水主要賦存于礫砂層中，屬孔隙潛水含水層，水位埋深約14.5 m～15.5 m；下層地下水主要賦存于第四系渾河粗砂層、礫砂層，屬孔隙承壓水，水位埋深為4.90 m～9.50 m；地下水徑流條件良好，除粉質(zhì)粘土和粉土外，含水層滲透性強。

表1 區(qū)間下穿繞城高速段地層描述表

1.3 擬定下穿段設(shè)計方案

考慮到沈陽繞城高速公路交通繁忙，車流量較大，車型復(fù)雜，對于路基沉降及橋樁變形要求較高，為保障下穿段既有高速公路的安全運營，針對本工程的實際情況，對以下幾個方面進行了重點設(shè)計。

1)超前加固措施：超前支護采用拱頂120°范圍雙排小導(dǎo)管超前注漿并加固地層，第一排小導(dǎo)管長L=1.8 m，環(huán)向間距30 cm，傾角15°，第二排小導(dǎo)管長L=3.0 m，環(huán)向間距30 cm，傾角20°。

2)初期支護：初支采用φ6.5@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng)、縱距0.5 m的φ25格柵鋼拱架及25 cm厚C25噴射混凝土。為減少初支封閉時間，初期支護增設(shè)臨時仰拱，二襯為35 cm厚C40，P10防水混凝土。

3)旋噴隔離樁：側(cè)穿A，B匝道橋樁采用區(qū)間結(jié)構(gòu)與橋樁之間打設(shè)旋噴隔離樁，旋噴樁加固沿線路橋樁位前后各6 m范圍，其中旋噴樁施工不占用A，B匝道路面，不影響路面交通，采用垂直旋噴加固。

4)施工方法：礦山法下穿繞城高速段采用環(huán)形臺階法施工，首先施作拱部超前小導(dǎo)管，注漿加固地層，接著開挖土體，施作初期支護，再敷設(shè)仰拱部分防水層，澆筑二襯，最后敷設(shè)側(cè)墻及頂拱防水層并澆筑二襯，完成主體結(jié)構(gòu)。

上述施工方案及設(shè)計參數(shù)是否合理、能否有效保障沈陽繞城高速公路運營安全將是重點關(guān)注的內(nèi)容。因此，采用數(shù)值模擬手段對隧道下穿高速公路段路基及橋樁安全性分析是很有必要的。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用MIDAS/GTS數(shù)值分析軟件對區(qū)間下穿繞城高速段進行三維施工數(shù)值模擬，有限元計算模型的范圍確定為140 m×290 m×50 m，包括繞城高速公路路基、A匝道路基、B匝道路基，以及出入線左右線區(qū)間。模型上表面邊界取自地表(地表高差變化較小，簡化為水平面)，下表面邊界取自隧道底部以下約30 m，模型邊界處隧道開挖面距A，B匝道路基最近約50 m。有限元模型共84 251個單元，15 261個節(jié)點。模型的上表面為地表，取為自由邊界；側(cè)面邊界水平位移受到約束，底面邊界約束所有位移自由度，如圖1所示。

2.2 參數(shù)取值

土層計算參數(shù)為現(xiàn)場地勘參數(shù)確定，地基各土層采用彈塑性D-P模型，隧道及周邊圍巖、注漿加固區(qū)域采用了實體單元進行模擬，初期支護和掌子面噴混采用板單元進行模擬，橋樁采用梁單元進行模擬，鎖腳錨桿采用桁架單元進行模擬。其中，注漿加固效果通過提高圍巖參數(shù)來進行模擬。具體材料計算參數(shù)值見表2。

表2 材料計算參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 高速路基沉降分析

經(jīng)過MIDAS/GTS求解，計算系統(tǒng)達到平衡后，得到土體及路基豎向沉降，計算結(jié)果如圖2所示。沿路基縱向中心線，提取其沉降值，得到路基縱向沉降槽曲線，路基縱向沉降槽曲線如圖3所示。由圖3可知，隧道開挖引起上方地表及高速公路路基的沉降，其中繞城高速公路主線路基最大沉降值為10.5 mm，A匝道路基最大沉降值為13.3 mm，B匝道路基最大沉降值為9.8 mm。從圖3中可以看出，左右線隧道兩側(cè)路基沉降基本對稱，最大沉降發(fā)生在左右線隧道中間。

以左線上臺階掌子面掘進情況為時間參考，繪制沉降曲線如圖4所示，圖4中左線上臺階掌子面距高速公路路基的距離：負值指隧道掌子面到達構(gòu)筑物之前，正值指隧道掌子面通過構(gòu)筑物后。

由圖4可以看出，在左線隧道上臺階掌子面距路基20 m時，主要沉降開始發(fā)生，在左線隧道掌子面位于路基正下方時，路基發(fā)生3.5 mm～5.7 mm的豎向沉降，隨著左線隧道下臺階的開挖，以及右線暗挖隧道的掘進，路基沉降逐漸增大，在左線隧道上臺階掌子面遠離路基40 m時(此時右線隧道上臺階掌子面遠離路基20 m)，路基沉降基本穩(wěn)定。比較A匝道，B匝道和繞城高速公路三者的路基沉降值，A匝道的沉降最大，這主要是因為隧道與A匝道交角較小，隧道在匝道下方暗挖距離較長，對上方匝道路基影響較大進而引起路基較大沉降。

3.2 A，B匝道橋樁變形分析

下穿隧道距B匝道路基西側(cè)橋樁最近距離約為13.0 m，距A匝道路基東側(cè)橋樁最近距離約為12.7 m，分別對A，B匝道在打設(shè)旋噴樁下進行橋樁的變形分析。

計算結(jié)果表明：隧道開挖引起其鄰近側(cè)的橋樁位移及變形較大，其中A匝道的橋樁最大側(cè)向位移約為2.6 mm，最大豎向沉降約為3.0 mm，最大差異沉降約為2.1 mm；B匝道的橋樁最大側(cè)向位移約為3.0 mm，最大豎向沉降約為3.4 mm，最大差異沉降約為1.9 mm。

3.3 路基及橋樁安全評價

丁香湖停車場出入線正線下穿B匝道、繞城高速路基段以及A匝道段施工時，經(jīng)模擬仿真分析計算，繞城高速公路主線路基最大沉降值為11.8 mm，A匝道路基最大沉降值為14.4 mm，B匝道路基最大沉降值為11.0 mm，隧道開挖引起A匝道橋樁最大豎向沉降約為3.0 mm，最大差異沉降約為2.1 mm，最大側(cè)向位移約為2.6 mm；B匝道橋樁最大豎向沉降約為3.4 mm，最大差異沉降約為1.9 mm，最大側(cè)向位移約為3.0 mm。結(jié)合JTG H20—2007公路技術(shù)狀態(tài)評定標準[7],JTG H11—2004公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[8]的規(guī)定，及國內(nèi)類似工程案例，路基沉降數(shù)值小于最大沉降控制標準20 mm，橋樁總沉降、差異沉降和水平側(cè)向位移均遠小于安全控制值，可判定高速公路路基處于安全狀態(tài)，隧道暗挖施工不影響其正常使用。

4 結(jié)語

對于地鐵隧道長距離下穿既有高速公路施工，既要考慮隧道本身的施工安全，又要考慮高速公路路基沉降及橋樁變形帶來的交通安全隱患，所以選擇合理的施工方案及保護措施是安全施工的關(guān)鍵。依據(jù)本文中采取的保護措施可將高速路基及匝道橋樁的變形控制在允許范圍內(nèi)，保證地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)施工安全，可供同類工程施工借鑒。

[1] 王 成,林森斌.淺埋土質(zhì)大斷面隧道下穿高速公路變形控制技術(shù)研究[J].鐵道標準設(shè)計,2013(8):105-108.

[2] 王 志,杜守繼,張文波,等.淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空間與工學(xué)報,2009(3):531-535，572.

[3] 金 淮,吳鋒波,馬雪梅,等.首都國際機場線下穿機場高速公路變形特性研究[J].工程勘察,2010(10):61-66.

[4] 王洪昌,馬志富,曾 青,等.忻州隧道下穿大運高速公路技術(shù)方案研究[J].隧道建設(shè),2014(11):1082-1086.

[5] 王明慧,李 敢,李大平.渝黔鐵路白楊灣隧道下穿高速公路綜合施工技術(shù)[J].鐵道建筑,2015(3):80-83.

[6] 郭 磊,帖卉霞,周 欽.下穿高速公路鐵路隧道對高速公路的影響研究[J].鐵道標準設(shè)計,2010(5):94-96.

[7] JTG H20—2007，公路技術(shù)狀況評定標準[S].

[8] JTG H11—2004，公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[S].

Research on the influence of long distance subway tunnel on expressway

Bi Kewei

(ShenyangRailwaySurveyandDesignInstituteCompanyLimited,Shenyang110013,China)

This paper introduced the basic situation and design scheme of Shenyang subway No.10 line long distance underneath pass ring highway engineering, and using 3D numerical calculation model, from the highway roadbed settlement and ramp bridge pile two aspects, analyzed the influence of mining method underneath pass construction to highway, obtained some valuable conclusions.

subway, highway, roadbed, bridge pile, settlement value

1009-6825(2017)06-0177-03

2016-12-08

畢可為(1985- )，男，碩士，工程師

U455

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