車行隧道基坑工程對跨越既有電纜隧道的影響分析

劉宇晨 胡燊 李文濤

(廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 510060)

引言

隨著地下交通、市政管廊的不斷完善,地下空間開發(fā)的不斷深入,城市道路交通網(wǎng)絡(luò)的立體化,地鐵隧道、市政管道、車行隧道等之間互相穿越建設(shè)的工程將越來越多。如何在不影響已有地下構(gòu)筑物安全和使用性能的前提下修建新的地下工程,已成為城市地下空間開發(fā)的新課題。

1 工程概況

本車行隧道為廣州市G106 國道左轉(zhuǎn)進入廣花一級公路的定向匝道,單向兩車道,全長395m,采用明挖法施工。在廣花一級公路東側(cè)敞開段上跨電纜隧道,交角64.8°。其平面布置如圖1所示。

車行隧道上跨電纜隧道段采用U 形斷面結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)凈寬10.9m,側(cè)墻高度6m,厚0.5m ～1.0m,底板厚度0.85m。電纜隧道采用鋼筋混凝土頂管,管徑3.6m,壁厚0.3m,管頂埋深6.2m,持力層為粉質(zhì)粘土。頂管節(jié)段標準長度為2.5m,管節(jié)之間的縱向連接采用承插式F 型接頭。電纜隧道頂面與車行隧道底板底面間距僅為22cm。車行隧道與電纜隧道相對關(guān)系如圖2 所示。

圖1 車行隧道平面布置Fig.1 Plane plan of traffic tunnel

圖2 車行隧道與凱旋電纜隧道關(guān)系Fig.2 Spatial position of traffic tunnel and cable tunnel

場區(qū)巖土層自上而下分別為素填土①2、粉質(zhì)粘土②1、淤泥②2、粗礫砂③2、粉質(zhì)粘土④2、全風化粉砂質(zhì)泥巖⑤1和強風化粉砂質(zhì)泥巖⑤2,其巖土參數(shù)見表1。地下水位埋深介于1.55m ～3.55m 之間,雨季水位較高。

表1 各土層參數(shù)取值Tab.1 Soil parameter

2 車行隧道基坑支護概況

電纜隧道范圍內(nèi)不具備施打支護樁的條件,該段車行隧道基坑采用放坡開挖方式,基坑長42.85m,寬7.6m,坑底開挖深度6.3m,分兩級放坡開挖,根據(jù)地質(zhì)條件確定開挖坡率為1：1.5,中間平臺寬2m。

通道范圍采用兩層橫撐支護,頂撐采用800mm×600mm 的鋼筋混凝土橫撐,C30 混凝土。第二道撐采用?600×16mm 鋼管橫撐,Q235 鋼。

端部采用?600@400mm 旋噴樁用作止水帷幕,電纜隧道范圍內(nèi)旋噴樁底距電纜隧道頂0.5m,樁底與電纜隧道頂之間采用袖閥管注漿?；娱_挖時,將坑內(nèi)地下水位降至電纜隧道中心標高位置。凱旋電纜隧道段基坑支護平面及橫斷面分別如圖3 及圖4 所示。

圖3 電纜隧道段基坑支護平面Fig.3 Foundation pit plane plan of cable tunnel top surface section

由于在基坑工程施工過程中,隧道電纜需要保持正常運營。為進一步減小施工造成的風險,提出如下加強措施[1,2]：

(1)開挖前對電纜隧道兩側(cè)各管徑寬度范圍內(nèi)土體進行注漿加固;

(2)采用分段、分塊、放坡開挖,嚴格控制施工進度;

(3)在電纜隧道兩側(cè)設(shè)樁基,與車行隧道結(jié)構(gòu)共同形成保護框架,限制電纜隧道工后變形;

(4)根據(jù)電纜隧道變位實時監(jiān)測的結(jié)果,確定是否需實施在電纜隧道內(nèi)進行壓重、電纜隧道緊急修復(fù)方案等應(yīng)急預(yù)案。

圖4 電纜隧道段基坑支護橫斷面Fig.4 Foundation pit transverse section of cable tunnel top surface section

3 施工階段影響分析

為保證已投入運營的電纜隧道的安全,要求嚴格控制車行隧道基坑開挖過程中造成的電纜隧道變形,重點解決電纜隧道抗浮及基坑開挖土體卸載地基回彈過大問題。因此需對車行隧道基坑開挖施工階段對電纜隧道的影響進行分析。

3.1 電纜隧道變形控制標準

為合理評估車行隧道基坑開挖對電纜隧道的影響,需明確電纜隧道允許變形控制標準。設(shè)計中應(yīng)根據(jù)電纜隧道的結(jié)構(gòu)特點和管線性質(zhì),參考同類型結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范確定允許變形控制值。據(jù)調(diào)查,本隧道采用的施工方法為頂管法,管材為鋼筋混凝土圓管。相關(guān)規(guī)范對地下構(gòu)筑物的允許變形控制標準如下：

《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB50268 -2008)表6.7.3 和《給排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246： 2008)表13.2.1 均規(guī)定：頂管允許偏差要求相鄰管間錯口小于壁厚15%,且≤20mm; 《給排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246： 2008)第4.3.9 條第4 款規(guī)定： 混凝土管接頭允許偏轉(zhuǎn)角應(yīng)大于0.5°。

管節(jié)間相對變形控制值參照以上規(guī)范取值：相鄰管節(jié)錯口≤0.15t,且≤20mm,t為壁厚; 混凝土管接頭允許偏轉(zhuǎn)角取值0.5°。

以上變形控制值均應(yīng)包括施工誤差。因此,基坑開挖前應(yīng)對影響范圍內(nèi)的電纜隧道相鄰管節(jié)間錯口和偏轉(zhuǎn)角進行量測,作為變形控制的初始值,保證初始值與開挖變形值之和不大于允許變形控制值。

《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50497 -2009)表8.0.5 規(guī)定,對于剛性非壓力管道,建筑基坑工程周邊環(huán)境監(jiān)測報警值為10mm ～40mm。鑒于電纜對變形的適應(yīng)能力較強,同時本電纜隧道竣工時間較短,取中值25mm 作為位移允許值。

3.2 電纜隧道抗浮分析

為避免基坑開挖過程中電纜隧道上浮,同時保證基坑內(nèi)干燥,擬將地下水位降至電纜隧道中心標高位置。在不考慮電纜線自重前提下,電纜隧道抗浮安全系數(shù)：Kv= (G管+G土)/F浮=(91.6 +3.6)/50 =1.9 ＞1.05,滿足抗浮要求。

3.3 電纜隧道回彈變形分析計算模型[3]

為分析基坑開挖對電纜隧道的影響,利用有限元分析軟件MIDAS GTS NX,建立電纜隧道段基坑三維模型,并模擬實際開挖過程。電纜隧道兩側(cè)土體注漿效果和加固范圍難以準確評估,偏于保守不考慮其有利作用,仍采用原狀土層參數(shù)進行計算。

模型中地層尺寸為沿基坑縱向長36.5m、橫向?qū)?5.6m,豎向深25m。土體采用實體單元模擬,并采用修正庫侖-摩爾模型,開挖土體細部按1m 尺寸劃分網(wǎng)格,地層邊沿部分按2m 尺寸劃分網(wǎng)格; 支護樁等效為板,由等剛度轉(zhuǎn)換原則可得,等代板厚：。橫撐采用桿單元,電纜隧道采用板單元; 地層左右前后邊界處施加垂直于邊界面的水平方向約束,地層底部邊界處施加豎向約束。結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格后模型如圖5所示。

圖5 整體三維有限元模型Fig.5 3D finite element model

施工階段模擬： ①初始地應(yīng)力(位移清零);②成隧(挖去電纜隧道處巖土、施作電纜隧道結(jié)構(gòu)); ③位移清零; ④成樁(施作灌注樁); ⑤開挖1： 開挖第1 部分土體,施作第1 道橫撐;⑥開挖2： 開挖第2 部分土體,施作第2 道橫撐;⑦開挖3： 開挖第3 部分土體至基坑底部。開挖過程模型如圖6 所示。

圖6 基坑開挖過程示意Fig.6 Excavation process of foundation pit

3.4 電纜隧道各施工階段變形計算結(jié)果

經(jīng)計算分析,電纜隧道各施工階段豎向位移計算結(jié)果見表2,管節(jié)間相對轉(zhuǎn)角計算結(jié)果見表3。

表2 豎向位移Tab.2 Vertical displacement

表3 管節(jié)間相對轉(zhuǎn)角Tab.3 Relative angle of segments

3.5 電纜隧道各施工階段變形實測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測方提供數(shù)據(jù),電纜隧道各施工階段變形實測結(jié)果最大值見表4。

表4 豎向位移和相對轉(zhuǎn)角實測值Tab.4 Vertical displacement and relative angle of segments measured value

3.6 電纜隧道各施工階段變形計算值與實測值對比分析

(1)電纜隧道管節(jié)間相對最大位移、相對最大轉(zhuǎn)角和管節(jié)最大位移均發(fā)生在開挖3。

(2)開挖過程中,管節(jié)間相對最大位移、相對最大轉(zhuǎn)角和管節(jié)最大位移均在允許值范圍內(nèi)。

(3)管節(jié)間相對最大位移、相對最大轉(zhuǎn)角和管節(jié)最大位移實測值均小于理論值。

計算分析和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明,本工程在既有電纜隧道上方放坡進行基坑開挖,造成的節(jié)間位移及轉(zhuǎn)角影響較小。

4 結(jié)語

在跨越既有電纜隧道的車行隧道基坑工程的施工中,開挖前對電纜隧道兩側(cè)范圍內(nèi)土體進行預(yù)加固,分段、分塊開挖,有助于減小基坑開挖過程中電纜隧道的變形。本案例的設(shè)計施工經(jīng)驗為同類工程的設(shè)計施工提供了借鑒和參考。