明挖區(qū)間近距離側(cè)穿高速公路與既有地鐵路基段風(fēng)險分析

康 佩

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

北京是國內(nèi)第一個修建地鐵的城市，隨著地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已形成復(fù)雜交錯的地下軌道交通網(wǎng)，伴隨而來的現(xiàn)象就是城市可利用地下空間越來越少，新建線路將不可避免地穿越既有線路[1]。北京地鐵27號線(昌平線南延)工程連接既有昌平線與9號線，北起西二旗站，南至9號線國家圖書館站。受場地環(huán)境和線路走向的限制，地鐵27號線自西二旗站與既有昌平線接軌后，地下區(qū)間只能采用明挖法施工，西二旗站南端明挖區(qū)間側(cè)穿G7(京新)高速公路與既有地鐵13號線之間的狹長地帶(見圖1)，施工會對G7及13號線路基造成一定的影響，風(fēng)險等級為特級。

圖1 區(qū)間與G7高速和地鐵13號線路基平面關(guān)系

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概述

根據(jù)埋置深度不同，采用U形槽和單層雙跨矩形框架的結(jié)構(gòu)形式。其中，U形槽段長211.92 m，結(jié)構(gòu)寬10.90～12.42 m，埋深1.6～8.0 m；框架段長129.64 m，結(jié)構(gòu)寬11.82～12.89 m，埋深8.0～11.6 m。

明挖區(qū)間位于G7高速與既有地鐵13號線之間的狹長地帶，最窄處僅12 m，部分進(jìn)入G7高速護(hù)坡范圍，無放坡開挖條件，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“鉆孔灌注樁+鋼支撐”的支護(hù)形式(見圖2)。

(1)區(qū)間鄰近G7高速路基段

G7高速公路為雙向6車道，寬35 m，道路兩側(cè)采取邊坡支護(hù)。明挖基坑最大深度約11.8 m，基坑邊與G7高速路基坡頂邊線凈距2.4～3.4 m。由于區(qū)間結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入高速公路護(hù)坡范圍，為降低施工對路基的擾動，采取了填土反壓的措施。填土高度與路面高度相同，約為5.0 m；遠(yuǎn)離高速公路一側(cè)，按1∶1.5放坡至地面。

(2)區(qū)間鄰近地鐵13號線路基段

地鐵13號線路基段為碎石道床結(jié)構(gòu)，線間距為3.6 m，路基段寬11 m。基坑邊與13號線路基邊線凈距為4.3～5.5 m。

圖2 區(qū)間與G7高速和地鐵13號線路基剖面關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)條件

本區(qū)間穿越的地層從上到下為人工填土①，粉質(zhì)黏土②1，細(xì)、中砂③3，粉質(zhì)黏土④，卵石⑤層(物理力學(xué)參數(shù)見表1)。場地范圍內(nèi)地下水位較低，明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)底板位于地下水位以上，無需降水，結(jié)構(gòu)施工時如遇上層滯水可采用明排措施。

表1 工程地質(zhì)參數(shù)

2 基坑支護(hù)形式及變形分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護(hù)形式。根據(jù)基坑規(guī)模、周邊環(huán)境條件及相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，區(qū)間明挖基坑變形控制等級為一級[2]，基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)為：地面最大沉降量≤0.15%H(H為基坑深度)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.2%H，且≤30 mm。初步?jīng)Q定采用φ1 000@1 500 mm鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁間采用100 mm厚網(wǎng)噴混凝土，樁頂設(shè)冠梁。鋼支撐直徑為609 mm，壁厚16 mm。

2.1 二維基坑變形計(jì)算

(1)U形槽段

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，U形槽底板埋深較淺處可采取懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，不設(shè)置第一道鋼支撐。當(dāng)埋置深度小于3.5 m時，在不設(shè)置第一道支撐的情況下，基坑周邊地表沉降最大值為9 mm，滿足基坑變形控制要求。

明挖基坑臨近既有地鐵13號線，風(fēng)險等級為特級，故U形槽段圍護(hù)結(jié)構(gòu)暫不取消第一道支撐。U形槽最深處圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果如圖3所示，地表最大沉降為8 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為6.5 mm，滿足基坑變形控制要求。

(2)框架段

豎向設(shè)置兩道鋼支撐，埋深最大處圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖4所示，地表最大沉降為17 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為13.5 mm，滿足基坑變形控制要求。

2.2 變形分析及工程技術(shù)措施

區(qū)間鄰近G7高速一側(cè)需要采取填土反壓的措施，該側(cè)圍護(hù)樁高出鄰近13號線一側(cè)平均高度約3.5 m，故第一道支撐以上3.5 m范圍內(nèi)，鄰近G7高速公路一側(cè)的圍護(hù)樁為懸臂形式，計(jì)算所得地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移均較大。為了減小這一影響，擬將圍護(hù)樁間距由1.5 m調(diào)整為1.2 m，計(jì)算所得地表最大沉降為15 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為12 mm。

圖3 U形槽最深處圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

圖4 框架段最深處圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

3 數(shù)值模擬分析

為了更好地分析明挖區(qū)間施工過程對鄰近G7高速及既有地鐵13號線路基的影響，可借助有限元計(jì)算軟件模擬基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工的全過程。

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS/GTS仿真分析軟件進(jìn)行三維模擬分析。計(jì)算模型左右水平計(jì)算跨度取基坑深度的3倍，豎向計(jì)算范圍取地表面至埋深為3倍隧道高[3]。隧道圍巖本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫模型，以考慮圍巖的非線性變形(見圖5)。

圖5 有限元計(jì)算模型

采用明挖法開挖，每步開挖后及時進(jìn)行支護(hù)，施工計(jì)算步驟嚴(yán)格按照隧道施工順序進(jìn)行，支撐的安裝和拆除順序與支護(hù)結(jié)構(gòu)工況相符合[4]。首先計(jì)算原始地應(yīng)力，巖土體的開挖在前一計(jì)算步驟所得地應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行。首先按照圍護(hù)樁間距為1.5 m并且不采取任何風(fēng)險處理措施進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

區(qū)間隧道開挖前，土體在受到上部荷載及自重的情況下，受力狀態(tài)已趨于穩(wěn)定，隧道開挖后，土體會產(chǎn)生應(yīng)力重分布。隨著開挖的進(jìn)行，基坑周邊的土體應(yīng)力得到釋放[5]，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的變形。鄰近G7高速公路及地鐵13號線路基段下方的土體受到擾動后，不可避免地會對既有路基產(chǎn)生影響。

模擬計(jì)算中，首先要考慮明挖區(qū)間施工導(dǎo)致既有路基段產(chǎn)生的變形大小和分布形式，進(jìn)而驗(yàn)算既有線結(jié)構(gòu)的變形容許值。相關(guān)研究表明，國內(nèi)外既有地鐵工程的變形控制標(biāo)準(zhǔn)多為±(5～10) mm[6]，結(jié)合相關(guān)運(yùn)營要求，暫定變形控制標(biāo)準(zhǔn)為±5 mm。

(1)G7高速路基段位移

通過模擬計(jì)算可得，G7高速路基段路面豎向位移隨著基坑開挖進(jìn)程逐漸增大，最終路基面位移最大值為9.7 mm。填土范圍內(nèi)位移最大值為12.6 mm，發(fā)生在區(qū)間基坑最深處所對應(yīng)的位置，此處也為基坑距離G7高速最近處(見圖6)。從基坑中部開始，路基出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，原因可能為該范圍內(nèi)基坑距離路基過近，基坑底部土體應(yīng)力釋放導(dǎo)致基坑底部及其側(cè)壁土體產(chǎn)生隆起，進(jìn)而使得鄰近路基部分土體向上收斂[5]。

圖6 采取措施前G7高速路基豎向位移

(2)地鐵13號線路基段位移

通過模擬計(jì)算可知，在整個施工過程中，13號線路基段豎向位移隨基坑開挖逐漸增大，最大值為13.4 mm，發(fā)生在區(qū)間基坑距離13號線最近處的路基面，對應(yīng)區(qū)間框架段與U形槽段的交界位置處(見圖7)。

圖7 采取措施前地鐵13號線路基豎向位移

3.3 工程技術(shù)措施

若采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，區(qū)間兩側(cè)既有路基段變形均較大，新線施工會對G7高速公路及地鐵13號線的安全運(yùn)營造成較大影響，必須采取合理的風(fēng)險控制措施來減小這些影響。

(1)增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度[8]。將圍護(hù)樁密排至間距1.2 m；于鄰近地鐵13號線一側(cè)圍護(hù)樁間打設(shè)直徑為800 mm的高壓旋噴樁，與圍護(hù)樁互相咬合。

(2)及時布設(shè)測點(diǎn)并加密監(jiān)測頻率，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)[9]。

(3)在地鐵13號線路基段下方預(yù)埋注漿袖閥管，必要時進(jìn)行注漿以控制沉降。

(4)施工時隔倉開挖，避免大范圍土體連續(xù)卸載。

3.4 采取措施后計(jì)算結(jié)果

(1)G7高速路基段位移

計(jì)算結(jié)果表明，采取工程技術(shù)措施后，明挖區(qū)間施工所引起的G7高速路基路面位移最大值降低至5.0 mm(見圖8)，滿足相關(guān)規(guī)范控制值及運(yùn)營單位的要求[9]。

圖8 采取措施后G7高速路基豎向位移

(2)地鐵13號線路基段位移

圖9 采取措施后地鐵13號線路基豎向位移

計(jì)算結(jié)果表明，采取工程技術(shù)措施后，明挖區(qū)間施工所引起的地鐵13號線路基段豎向位移降低至3.6 mm(見圖9)，滿足相關(guān)規(guī)范控制值及運(yùn)營單位的要求[9]。

除了采取上述控制措施外，施工時應(yīng)密切注意位移最大值發(fā)生處的施工過程，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，必要時可采用深孔注漿，加固其周邊土體[15]。

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