地鐵近距離交疊隧道下穿既有橋梁樁基設(shè)計(jì)與分析

姚 晨 晨

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

隨著城市地鐵工程建設(shè)越來越多，不可避免會(huì)出現(xiàn)近距離交疊隧道情況，北京、廣州、深圳、青島等城市地鐵區(qū)間中均有近距離交疊隧道情況。日本鐵道綜合技術(shù)研究所發(fā)表的《近接隧道施工的設(shè)計(jì)與指南》[1]，該指南提出近接并行隧道施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道間相互影響程度的不同采取不同的處理措施；隧道位置的變化產(chǎn)生的影響范圍的分類方法。國內(nèi)陳衛(wèi)軍等[2]整理了近距離交疊隧道相關(guān)研究現(xiàn)狀，鄭余朝等[3]對深圳地鐵老街—大劇院雙孔交疊隧道礦山法施工進(jìn)行了模型試驗(yàn)與數(shù)值研究。

城市繁華區(qū)域建(構(gòu))筑物密集，區(qū)間隧道設(shè)計(jì)中不可避免出現(xiàn)下(側(cè))穿建(構(gòu))筑物情況，朱正國等[4]對新建隧道超近距離下穿既有地鐵車站施工方案進(jìn)行了方案優(yōu)化研究，張航[5]分析了小凈距淺埋暗挖隧道下穿密集房屋的安全性，章慧健等[6]研究分析了城市隧道近接建筑物施工的影響并給出了一些對策。

本文以大連地鐵1、2號(hào)線區(qū)間隧道工程為背景，開展了近距離交疊區(qū)間隧道下穿既有橋梁的設(shè)計(jì)與研究，為類似隧道工程研究與設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。

大連地鐵1號(hào)線西安路站—功成街站區(qū)間右線起終點(diǎn)里程DK16+640.701—DK17+850.153，覆土22.6 m～9.40 m。2號(hào)線西安路站—交通大學(xué)站區(qū)間右線起終點(diǎn)里程DK16+690.387—DK16+788.830，覆土25.8 m～18.2 m。區(qū)間均為單洞馬蹄形斷面，標(biāo)準(zhǔn)段斷面寬為6.2 m，高為6.51 m，采用礦山法施工。

1號(hào)線西功區(qū)間右線自DK16+640.701至DK16+826.613、左線自DK16+640.701至左DK16+768.574為礦山法區(qū)間上下交疊段，與2號(hào)線西交區(qū)間豎向最小凈距1.79 m。1號(hào)線區(qū)間隧道在上，2號(hào)線區(qū)間隧道在下。

周邊環(huán)境有解放廣場五一橋橋梁一座，區(qū)間隧道下穿五一橋，其中五一橋第17號(hào)橋墩樁基樁底端距離1號(hào)線西功區(qū)間左線水平最小距離為3.05 m，橋樁底端距1號(hào)線西功區(qū)間隧道左線初支結(jié)構(gòu)拱頂豎向最小距離為4.17 m；距1號(hào)線西功區(qū)間右線水平最小距離為4.75 m，樁底端縱向距1號(hào)線西功區(qū)間右線初支結(jié)構(gòu)拱頂豎向最小距離為4.16 m。橋樁樁徑為2.90 m，為端承樁。上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁鋼筋混凝土橋。

土層自上而下為素填土、碎石、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖，1、2號(hào)線四條區(qū)間隧道所處地層均為中風(fēng)化板巖。西功區(qū)間里程DK16+726.841處交疊隧道與既有橋樁關(guān)系，見圖1。

1 工程設(shè)計(jì)

1.1 近距交疊隧道

1號(hào)線西功區(qū)間與2號(hào)線西交區(qū)間沿西安路而設(shè)，下穿與西安路接近正交的五一路上的五一橋，平面位置關(guān)系見圖2。上下交疊隧道間垂直凈距僅1.79 m，小于1倍隧道斷面開挖寬度6.20 m，判別為近距離交疊隧道[2]。

1.2 工法比選

下穿五一橋區(qū)間段為雙線四孔交疊隧道，沿西安路敷設(shè)，明挖法施工影響交通范圍大、橋下施工難度高、工程風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)西安路為交通要道，地表有202有軌電車運(yùn)行，采用暗挖法或盾構(gòu)法是明智的。綜合分析在五一橋至西安路站之間設(shè)置盾構(gòu)井受到限制等因素下，確定下穿五一橋區(qū)間段采用礦山法施工。

1.3 臺(tái)階法

臺(tái)階分部上下段開挖示意，見圖3。

為了減少成孔時(shí)引起地面沉降，超前小導(dǎo)管采用頂進(jìn)法施工，外插角10°～15°。上臺(tái)階開挖時(shí)，對開挖面周邊均勻設(shè)置，50 mm的密排減震眼，減小爆破對圍巖的影響，施作初期支護(hù)后兩側(cè)各設(shè)置，Φ32長度3 m鎖腳錨桿2根，下臺(tái)階開挖后及時(shí)封閉，嚴(yán)格遵循十八字方針。

1.4 施工工序

近距離交疊隧道礦山法施工常采用工序有以下三種情況：(1) 單線逐個(gè)施工，隧道間相互影響較小、較安全，但工期長；(2) 多線同向間歇施工，工期較短，但先施工隧道土體擾動(dòng)對后施工隧道影響較大；(3) 多線同步或異步對向施工，工期最短，但在施工交匯處土體受雙向擾動(dòng)，隧道相互影響最大。圖4所示施工工序。

第一步：實(shí)施橋樁地面實(shí)施橋樁地面加固和支頂措施。臺(tái)階法開挖下線西交區(qū)間右線隧道，施作超前支護(hù)和初期支護(hù)。

第二步：西交區(qū)間右線隧道通過橋樁影響區(qū)域范圍后，臺(tái)階法開挖下線西交區(qū)間左線隧道，施作超前支護(hù)和初期支護(hù)。

第三步：待下線西交區(qū)間左線隧道通過橋樁影響區(qū)域范圍后，臺(tái)階法開挖上線西功區(qū)間左線隧道，施作超前支護(hù)和初期支護(hù)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果需要時(shí)在下洞內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支撐。

第四步：待西功區(qū)間左線隧道通過橋樁影響區(qū)域范圍后，臺(tái)階法開挖西功區(qū)間右線隧道，施作超前支護(hù)和初期支護(hù)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果需要時(shí)在下洞內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支撐。

第五步：模筑下線西交區(qū)間二次襯砌。

第六步：模筑上線西功區(qū)間二次襯砌。

1.5 施工措施

1.5.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

施工前采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施，及時(shí)準(zhǔn)確了解地質(zhì)概況，為施工提供更加可靠參考信息。

1.5.2 降水

區(qū)間位置地面標(biāo)高約9.9 m，水位標(biāo)高約2.5 m，區(qū)間最小覆土厚度約18.5 m，地下水位較高，施工中加強(qiáng)洞內(nèi)排水措施，及時(shí)疏干，確保無水作業(yè)。

1.5.3 爆破控制

區(qū)間位于中風(fēng)化板巖，爆破開挖嚴(yán)控進(jìn)尺長度和藥量裝填，嚴(yán)控振速2 cm/s以內(nèi)，減少對圍巖的損傷，主要影響區(qū)優(yōu)先選用光面爆破；采用直孔螺旋掏槽處理小面積孤石硬巖；在上臺(tái)階兩側(cè)拱腳及中下方局部設(shè)置雙排減振孔，進(jìn)一步降低爆破影響。

1.5.4 保護(hù)措施

(1) 增設(shè)隔離樁。區(qū)間隧道初期支護(hù)外邊緣靠近橋樁一側(cè)距離1 m，沿縱向方向影響區(qū)增設(shè),219鋼管各一排，長度約35 m，伸至下線區(qū)間初支以下1 m。

(2) 地面注漿加固。對橋墩樁基周邊土注漿加固，加強(qiáng)樁基與周邊土的整體性。

(3) 臨時(shí)支撐鋼架。橋墩處支撐鋼架，對橋梁上部結(jié)構(gòu)預(yù)先支頂并用千斤頂動(dòng)態(tài)調(diào)整沉降，在在調(diào)節(jié)過程中和調(diào)節(jié)后最大沉降不能大于5 mm。

(4) 背后注漿。初期支護(hù)施作后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)背后注漿，保證初期支護(hù)背后密實(shí)，注漿距開挖工作面5 m位置處進(jìn)行，漿液為水泥漿。二次襯砌背后注漿在二次襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到75%以上后進(jìn)行，漿液為C30微膨脹水泥漿。

(5) 夾巖層注漿加固。下層隧道施工時(shí)，拱部采用小導(dǎo)管對交疊隧道間夾巖層注漿加固。

(6) 側(cè)墻設(shè)置中空注漿錨桿。

(7) 內(nèi)支撐系統(tǒng)。上線隧道開挖時(shí)，在下線隧道內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐系統(tǒng)，以降低對既有結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)現(xiàn)場施工圍巖情況，設(shè)置范圍為上線隧道掌子面位置前后各15 m～20 m。

(8) 臨時(shí)封閉橋梁。施工前對影響區(qū)域內(nèi)橋梁評估與鑒定，核實(shí)加固措施，確定變形控制標(biāo)準(zhǔn)。施工過程中對橋梁進(jìn)行臨時(shí)封閉。

1.6 監(jiān)控量測

加強(qiáng)對橋樁的監(jiān)控量測，并及時(shí)對監(jiān)測信息進(jìn)行分析評估和調(diào)整設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。

2 數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算巖土層參數(shù)見表1，MIDAS/GTS建立二維有限元模型，見圖5，初期支護(hù)采用梁單元模擬，其余均采用平面單元模擬。

表1 計(jì)算參數(shù)表

2.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

五一橋?yàn)槌鞘懈呒軜?，設(shè)計(jì)安全等級為一級，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](JTG D63—2007)及研究[8]建議控制標(biāo)準(zhǔn)，地表沉降建議控制上限值為15 mm，相鄰橋墩間沉降率為0.2%，相鄰橋墩水平差異沉降控制上限為3 mm。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

各模擬開挖步驟下，拱頂沉降、樁底豎向位移以及地表沉降，見表2。

表2 各模擬開挖步驟下沉降值

隧道模擬開挖完成后，豎向位移結(jié)果，見圖6。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析：

(1) 模擬計(jì)算地表最大沉降值為7.7 mm，小于沉降建議上限值15 mm。由于隧道基本對稱分布在橋梁樁基兩側(cè)，計(jì)算基本無水平位移，小于水平位移建議上限值3 mm。

(2) 模擬開挖完成后下線隧道仰拱的隆起量為8.5 mm，小于建議上限值10 mm。

(3) 下線隧道開挖過程中交疊隧道之間夾巖層的沉降值約在4.2 mm～7.4 mm范圍內(nèi)，上線隧道開挖完成最終沉降值約為2.6 mm～5.6 mm范圍，上線隧道仰拱的隆起量約為2 mm。下線隧道施工時(shí)拱部小導(dǎo)管超前支護(hù)加固夾巖層能夠起到減小拱部沉降的作用。

(4) 在施工第一步下線隧道左洞開挖后，地表沉降約為3.4 mm；在施工第二步下線隧道右洞開挖后，地表沉降約為5.5 mm?？衫脴蚨仗幹武摷芎颓Ы镯攧?dòng)態(tài)主動(dòng)頂升橋梁沉降，確保橋梁安全。

3 結(jié) 論

通過對地鐵近距離交疊隧道下穿橋梁的工程設(shè)計(jì)與數(shù)值計(jì)算分析，得到以下結(jié)論。

(1) 近距離交疊隧道設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能使得隧道位于較好的巖層里，有效減少隧道開挖對周邊地層變形的影響。

(2) 采取合理施工工序、爆破減震控制、地面注漿加固、主動(dòng)頂升橋梁等措施，能夠有效控制交疊隧道施工對橋梁樁基產(chǎn)生的影響，確保橋梁安全。

(3) 交疊隧道設(shè)計(jì)中預(yù)留的圍巖變形量應(yīng)考慮上線隧道拱部沉降、下線隧道開挖引起夾巖層的沉降以及下線隧道仰拱的隆起量。

(4) 交疊隧道施工工序非常關(guān)鍵，合理的施工工序能夠有效控制地面沉降，減小對建(構(gòu))筑物的影響。根據(jù)隧道埋深與圍巖類型，采用“先下后上”的施工工序能夠有效控制交疊隧道間夾巖層的變形。下線隧道初期支護(hù)完成后，建議可用支撐系統(tǒng)主動(dòng)頂升補(bǔ)償橋梁沉降，可根據(jù)實(shí)際開挖地層決定是否進(jìn)行施作下線隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)作為加強(qiáng)；再施作上線隧道時(shí)，在下線隧道增設(shè)內(nèi)支撐系統(tǒng)是很有必要的。