地鐵大跨暗挖隧道下穿橋隧結(jié)構(gòu)變形影響分析

宋 藝

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),710043,西安//工程師)

隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，新建地鐵區(qū)間隧道不可避免地要下穿既有隧道或橋梁，因此，在保證新建隧道施工安全的同時(shí)，更要嚴(yán)格控制已有橋隧結(jié)構(gòu)的變形。結(jié)構(gòu)變形過大將會(huì)影響既有隧道凈空及橋梁內(nèi)力，從而不能滿足既有橋隧結(jié)構(gòu)的正常使用[1]。因此，正確分析和預(yù)測(cè)新建隧道施工引起的既有橋隧結(jié)構(gòu)變形規(guī)律十分重要。

文獻(xiàn)[2-3]認(rèn)為近距離大斷面暗挖隧道引起的上部既有地鐵隧道位移以沉降為主，隧道扭轉(zhuǎn)變形和橫向變形都很小，最大沉降發(fā)生在變形縫處。文獻(xiàn)[4]對(duì)淺埋暗挖區(qū)間隧道下穿既有盾構(gòu)區(qū)間隧道引起的變形特性分析表明，盾構(gòu)隧道呈現(xiàn)柔性變形，縱向柔性變形更為明顯，既有結(jié)構(gòu)的存在顯著減小了暗挖隧道引起的地表沉降。文獻(xiàn)[5]基于彈性地基梁模型，推導(dǎo)了既有隧道受新建隧道垂直下穿施工影響而產(chǎn)生的縱向沉降曲線表達(dá)式、縱向應(yīng)力計(jì)算公式及既有隧道所能承受的極限沉降表達(dá)式，定量評(píng)價(jià)了新建隧道垂直下穿施工對(duì)上部既有隧道縱向變形和內(nèi)力的影響。

文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果表明，在合理的實(shí)施方案下，暗挖區(qū)間隧道下穿橋樁是可行的，有限元模型可合理地預(yù)測(cè)隧道下穿橋樁的變形。文獻(xiàn)[7]通過數(shù)值模擬分析了地鐵雙線隧道在開挖和支護(hù)過程中，臨近樁基內(nèi)力與變形的變化規(guī)律；分析結(jié)果表明樁基軸力有明顯的負(fù)摩阻增大，樁基負(fù)摩阻力急劇增長(zhǎng)會(huì)造成樁基承載力降低，故新建隧道施工應(yīng)采取對(duì)應(yīng)措施。文獻(xiàn)[8]就新建地鐵工程對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路橋的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，為新建地鐵區(qū)間隧道施工過程對(duì)鐵路橋影響的預(yù)測(cè)評(píng)估提供了依據(jù)。

以上文獻(xiàn)對(duì)新建區(qū)間隧道下穿既有隧道或橋梁結(jié)構(gòu)的變形影響進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述，但尚未見到新建大跨暗挖隧道同時(shí)下穿既有橋梁和隧道方面的研究文獻(xiàn)。

本文以某地鐵區(qū)間單洞雙線大跨暗挖隧道同時(shí)下穿既有橋隧結(jié)構(gòu)施工為例，對(duì)既有橋梁與隧道的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及數(shù)值模擬驗(yàn)證，以期得出在現(xiàn)有條件下既有結(jié)構(gòu)的沉降變形規(guī)律和特點(diǎn)，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

某新建地鐵區(qū)間隧道位于城市主干道下方。由于受到地質(zhì)條件和兩側(cè)建筑物的限制，隧道部分區(qū)段采用大跨淺埋暗挖單洞雙線的形式，開挖寬度14.10 m，內(nèi)徑寬12.40 m，高7.97 m，初支厚0.30 m，二襯厚0.55 m。在區(qū)間YDK 21+880—YDK 21+920處下穿既有市政匝道橋及隧道結(jié)構(gòu)。匝道橋?yàn)榭缍?0 m簡(jiǎn)支梁橋、雙車道，橋面寬13.50 m，基礎(chǔ)為直徑1.20 m鉆孔樁。市政隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑寬13.76 m，采用端墻式洞門，明洞結(jié)構(gòu)厚度85 cm，二襯厚度65 cm，平面線型由連續(xù)小半徑曲線構(gòu)成，隧道總長(zhǎng)111.07 m。地鐵區(qū)間隧道距離既有橋樁基最近距離為8.63 m，距離既有隧道結(jié)構(gòu)最近距離為23.90 m。各結(jié)構(gòu)平面及縱斷面位置關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 新建隧道與既有橋隧結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系

該區(qū)段無地表水系。地下水按賦存介質(zhì)可分為3類：賦存于第四系地層中的松散巖類孔隙水，賦存于殘積層及全、強(qiáng)風(fēng)化帶中的風(fēng)化殘積孔隙裂隙水，賦存于碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化帶以下的基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要為賦存于表層人工填土中的上層滯水，補(bǔ)給主要來源為大氣降水；風(fēng)化殘積孔隙裂隙水主要接受來自山巖體中基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給；局部山體出露高程較大的裸露基巖區(qū)完全接受大氣降水補(bǔ)給，大氣降水沿基巖裂隙下滲，匯集形成基巖裂隙水，延伸至溝谷洼地覆蓋層下的基巖構(gòu)造帶中的裂隙水，由于補(bǔ)給區(qū)位置高，地下水多具承壓性質(zhì)。地下水的動(dòng)態(tài)變化受年降水量變化規(guī)律的控制，地下水位年變幅一般3～5 m。

圖2 新建隧道與既有橋隧結(jié)構(gòu)縱斷面位置關(guān)系

2 新建地鐵區(qū)間隧道施工

2.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)

隧道下穿段具有地面交通車流量大，地下管線復(fù)雜等特點(diǎn)，且本身結(jié)構(gòu)形式及受力情況復(fù)雜，施工工序多，地面沉降控制較為嚴(yán)格。隧道設(shè)計(jì)時(shí)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，拱墻及拱頂設(shè)置砂漿錨桿，按中隔壁法(CD法)進(jìn)行施工。

襯砌結(jié)構(gòu)為:① 初期支護(hù)——噴射混凝土為C25混凝土，厚度30 cm；鋼筋網(wǎng)為φ8 mm鋼筋，間距20 cm×20 cm，全環(huán)雙層設(shè)置；鋼架采用φ22 mm格柵鋼架，間距為75 cm；② 二次襯砌——采用C40防水混凝土，厚度為55 cm，仰拱緊跟開挖面進(jìn)行澆筑，其余段二次襯砌滯后20 m進(jìn)行施工；③ 臨時(shí)支撐，中隔壁臨時(shí)支撐采用工18工字鋼、φ8 mm鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，支撐間距同初期支護(hù)鋼架間距。

2.2 隧道施工措施及工法

(1) 系統(tǒng)錨桿。拱墻設(shè)置φ22 mm砂漿錨桿，縱向間距1.5 m，環(huán)向間距1.5 m，梅花型布設(shè)，長(zhǎng)度2.5 m，砂漿強(qiáng)度不低于M 20。

(2) 封閉裂隙水注漿。隧道開挖時(shí)如遇巖石裂隙發(fā)生面狀或線狀滲漏水，采用封閉裂隙水注漿堵水。注漿孔孔口間距1.0～1.5 m，孔徑采用50 mm，注漿壓力采用0.5～1.0 MPa。下穿段襯砌支護(hù)如圖3所示。

注：尺寸單位除注明者外均為mm

(3) 根據(jù)詳勘報(bào)告給出的地質(zhì)圍巖情況，并結(jié)合周邊環(huán)境情況，確定隧道開挖采用中隔壁法(CD法)6步進(jìn)行施工。開挖工序如圖4所示。

圖4 新建隧道下穿段施工工序

3 既有隧橋結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律分析

3.1 隧道開挖引起的上覆地層變形規(guī)律

1969年，Peck等[9-11]對(duì)隧道施工引起的地表沉降問題進(jìn)行了研究，認(rèn)為隧道開挖引起的底邊沉降槽可以用高斯分布擬合，并提出了著名的Peck公式。根據(jù)Peck公式，單洞隧道開挖引起的地表沉降為:

(1)

式中:

s(x)——距離隧道中心軸線處的地表沉降;

A——開挖面積;

i——從沉降曲線對(duì)稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離;

V1——地層損失率。

文獻(xiàn)[12]提出的地層中任意深度(z)處沉降槽寬度表達(dá)式如下：

i(z)=K(z)(z0-z)

(2)

式中:

K(z)——沉降槽寬度系數(shù)，與土的性質(zhì)有關(guān)，土質(zhì)的黏聚性越強(qiáng)K值越大；

z0——新建隧道軸線深度。

3.2 Peck公式擬合既有結(jié)構(gòu)變形

利用式(1)對(duì)新建隧道開挖后引起的既有隧道及橋面沉降進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 新建隧道下穿段施工引起的既有隧道結(jié)構(gòu)沉降曲線

圖6 新建隧道下穿段施工引起的既有匝道橋橋面沉降曲線

圖7 新建隧道下穿段施工引起的既有橋隧結(jié)構(gòu)沉降曲線

由圖5～7可以看出：

(1) 新建隧道開挖引起的上覆既有隧道最大沉降值為8.61 mm，引起的既有橋梁橋面最大沉降值為7.88 mm。

(2) 利用Peck公式能夠較好地?cái)M合既有隧道的沉降值，擬合曲線呈現(xiàn)出明顯的拐點(diǎn)及沉降槽寬度；匝道橋橋面沉降擬合曲線則未呈現(xiàn)出明顯的拐點(diǎn)，曲線較為平直；將兩組數(shù)據(jù)放在一起時(shí)，擬合曲線為明顯的“單凹槽狀”Peck曲線。

(3) 在既有橋隧分界處的變形縫數(shù)值有明顯的突變，說明兩個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)在變形縫處產(chǎn)生較明顯的不均勻沉降，不均勻沉降值為0.73 mm。

3.3 地層損失率及沉降槽寬度分析

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果及擬合曲線計(jì)算得到地層損失率為0.204%～0.237%。文獻(xiàn)[13-14]中指出，在天然地層中地層損失率為0.22%～6.90%。新建隧道在粉質(zhì)黏土層、中細(xì)砂層及卵石粒巖層中，不采用注漿等輔助措施時(shí)地層損失率為0.76%～0.97%，采用注漿加固等措施后地層損失率為0.20%～0.25%。實(shí)測(cè)計(jì)算得到的地層損失率為天然地層中較低的水平，且與加固后的地層損失率相符，說明新建隧道在Ⅲ級(jí)圍巖中采用了錨桿支護(hù)和中隔壁法6步開挖，進(jìn)尺短、支護(hù)及時(shí)，且采用了工字鋼(工18)作為臨時(shí)支撐，有效地減小了隧道的沉降和收斂，將地層損失率控制在較低的水平。

既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降值擬合曲線平順，沉降槽寬度(L/2)大約為45 m；既有橋梁的沉降擬合曲線沒有表現(xiàn)出理想的Peck曲線形狀，沉降槽寬度(L/2)達(dá)到50～60 m，這可能是隧道開挖引起橋樁沉降，帶動(dòng)剛性橋面沉降所致。將橋隧的實(shí)測(cè)點(diǎn)放在一起后，擬合得到的沉降槽寬度大約為100 m，經(jīng)計(jì)算沉降槽寬度系數(shù)K=4.8，與文獻(xiàn)[15]等計(jì)算的區(qū)間下穿地鐵結(jié)構(gòu)的沉降槽寬度系數(shù)相比偏大，其原因主要是該地區(qū)新建隧道主要穿越的地層為巖層，黏聚力比文獻(xiàn)中的大得多。

4 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

采用MIDAS-GTS有限元軟件建立三維模型進(jìn)行模擬分析，模型如圖8所示。模型共劃分210 847個(gè)單元，具體地層參數(shù)及結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1和表2。

數(shù)值模擬開挖方式與實(shí)際工況一致，新建隧道長(zhǎng)度取100 m，隧道開挖完成后結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖及數(shù)值如圖9～10所示。

由圖9～10可以看出，既有隧道最大沉降值為8.938 mm，既有橋梁結(jié)構(gòu)的最大沉降值為8.88 mm。既有隧道結(jié)構(gòu)的變形為明顯的平滑凹槽曲線，由于既有隧道結(jié)構(gòu)平面為連續(xù)曲線，在出口端既有隧道結(jié)構(gòu)又離新建隧道中線較近，因此位移曲線在遠(yuǎn)離既有橋隧分界的地方再次下降。

圖8 新建隧道下穿既有橋隧結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 隧道下穿段地層主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道下穿段地下結(jié)構(gòu)主要參數(shù)指標(biāo)

圖9 新建隧道開挖完成后各結(jié)構(gòu)物的豎向位移云圖

圖10 新建隧道開挖完成后的既有橋隧豎向位移曲線

橋梁部分，由于僅樁基與土體接觸，新建隧道開挖引起的地面沉降通過樁基傳至橋面，因此橋面的沉降不像既有隧道結(jié)構(gòu)沉降曲線那樣平順，但將2組沉降曲線放在一起時(shí)呈現(xiàn)的曲線與Peck曲線接近，這與實(shí)測(cè)結(jié)果是一致的。

對(duì)比實(shí)測(cè)值與模擬值可得：

(1) 最大沉降值差，既有隧道為0.328 mm(占實(shí)測(cè)值的3.80%)，橋梁為1 mm(占實(shí)測(cè)值的12.69%)。

(2) 既有隧道的沉降均能較好地符合Peck公式，既有橋梁部分的沉降均為波浪形的曲線，由新建隧道中線向兩端逐漸減小，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致。這說明下穿段數(shù)值計(jì)算可以正確地模擬上覆結(jié)構(gòu)的沉降趨勢(shì)。

(3) 在地層損失率和沉降槽寬度方面，數(shù)值模擬的結(jié)果為V1=0.227%，K=4.3。這與實(shí)測(cè)結(jié)果計(jì)算的數(shù)值是基本相符的，說明模擬計(jì)算相對(duì)可靠，且基本可以確定該地質(zhì)條件下，新建隧道開挖引起的地層損失率維持在0.20%～0.23%之間。

5 結(jié)論

(1) 在新建地鐵區(qū)間隧道同時(shí)下穿既有市政橋隧中，Peck公式可以很好地?cái)M合位于地層中的既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降，但對(duì)于既有梁結(jié)構(gòu)的沉降則擬合得較不平順。將既有隧道和橋梁的沉降放在一起時(shí)，則表現(xiàn)為很好的Peck單凹槽曲線。

(2) 新建隧道開挖引起的地層損失率在0.20%～0.23%之間，處于較低的水平，說明該種地質(zhì)條件下新建隧道施工引起的地面沉降較小，上覆結(jié)構(gòu)變形值均能夠滿足規(guī)范中變形控制的要求。

(3) 數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)值相比，在沉降方面數(shù)值差異均不大，說明該條件下，三維數(shù)值分析可以較為準(zhǔn)確地表現(xiàn)新建隧道開挖引起的上覆橋隧結(jié)構(gòu)的沉降變形規(guī)律。