已建區(qū)間隧道上方堆載、卸載影響分析

趙 佳，劉祖運

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司 上海市 200010)

濟南CBD商業(yè)中心位于濟南市東側(cè)，該地塊內(nèi)分布著多條地鐵線路，和其他市政配套工程，如圖1所示。根據(jù)該區(qū)域規(guī)劃需求，后期將在CBD商業(yè)中心軸上設(shè)置景觀帶。該區(qū)域地鐵設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀地面標高已與詳勘報告中地質(zhì)鉆孔孔頂標高有所不同，主要是隨著CBD商業(yè)中心軸上景觀帶的實施，使得中心軸下方已建成的盾構(gòu)區(qū)間隧道面臨著上部覆土厚度增加或減少。上部覆土厚度的變化會引起管片受力變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)風險隱患。

圖1 CBD地鐵線路走向

針對可能會出現(xiàn)的這些問題，現(xiàn)選取中心軸下方呈南北向布置的歷下廣場站～綢帶公園站區(qū)間進行分析。

1 工程概況

歷下廣場站～綢帶公園站區(qū)間為單洞單線區(qū)間隧道，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間隧道右線長860.9m、左線長793.7m。管片直徑為6.4m，管片厚度為0.3m。區(qū)間隧道在出歷下廣場站后，沿CBD中央軸下方向北敷設(shè)，經(jīng)過解放東路、橫十路、橫八路進入綢帶公園站。

2 地質(zhì)與水文情況

擬建場地地形由南向北逐步降低，孔口標高為76.3～96.8m。穿越地貌主要為低山丘陵地貌。區(qū)間隧道位于拆遷區(qū)域，區(qū)域表層堆積建筑垃圾。擬建場地從上到下土層為：①1素填土層、①2雜填土層、(14)1粉質(zhì)粘土層、(15)1碎石層、(15)4粉質(zhì)粘土層、(21)2中風化灰?guī)r。

區(qū)間隧道穿越的土層主要為(21)2中風化灰?guī)r，隧道頂位于(21)2層頂下2.6m。本區(qū)間揭露的中風化灰?guī)r主要為：青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，取芯呈柱狀，長柱狀，少量碎塊狀，錘擊聲脆不易碎，局部溶蝕發(fā)育，巖體較為完整，取芯率70%～95%，RQD=60～90，巖體基本質(zhì)量為Ⅲ級。飽和單軸極限抗壓強度為26.6～79.41MPa，平均43.82MPa，軟化系數(shù)0.84，屬較硬巖。

本工程該區(qū)段沿線未揭露地下水，抗浮設(shè)防水位標高按60.0m 選用，位于隧道結(jié)構(gòu)下方。防滲設(shè)計水位按自然地面標高考慮。

3 區(qū)間堆/卸統(tǒng)計

在結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計時，隧道縱斷面圖中所選用的地面線依據(jù)詳勘報告提供的地質(zhì)鉆孔孔頂標高得到。隨著后期中心軸上景觀帶按照規(guī)劃標高實施，區(qū)間隧道將面臨上部覆土厚度增加或減少(即加載或卸載)的問題。

圖2 歷～綢區(qū)間縱斷面圖

根據(jù)中心軸后期規(guī)劃標高，將歷～綢區(qū)間隧道上需面臨的堆、卸載高度以及具體位置進行匯總，如表1、表2所示。根據(jù)匯總結(jié)果可知，對于已建成區(qū)間隧道，將面臨卸載高度最大達到8.9m，位于里程SK0+793.000處；將面臨堆載高度最大為4.5m，位于里程SK0+298.770處。

表1 區(qū)間隧道卸載高度統(tǒng)計表

表2 區(qū)間隧道堆載高度統(tǒng)計表

4 保護要求

對調(diào)研到的北京、上海、杭州、蘇州等城市執(zhí)行的保護條例進行匯總，如表3所示。根據(jù)調(diào)研結(jié)果可知，對于地下工程(車站、隧道等)，結(jié)構(gòu)外邊線50m內(nèi)為控制保護區(qū)，結(jié)構(gòu)外邊線5m內(nèi)為特別保護區(qū)。

5 變形控制要求

根據(jù)《盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害治理技術(shù)指南》(Q-SD-WBZ- FB-SS-GWJ01-2014)要求，隧道結(jié)構(gòu)變形控制標準如表4所示。

6 計算分析

采用有限元分析軟件Plaxis進行二維有限元建模，進而分析隧道上部覆土增加或減少(即加載或卸載)對已建隧道產(chǎn)生的附加變形。

(1)計算分析模型

針對區(qū)間隧道面臨填土、卸土兩種外部荷載改

表3 全國各城市地鐵保護條例統(tǒng)計表

表4 變形控制標準

變的方式，分別建立填土計算模型和卸土計算模型。兩個模型均按照隧道頂位于中風化灰?guī)r層頂下2.6m進行計算。填土計算模型中上部覆土厚度取為9.6m，如圖3所示。卸土模型中，隧道上部覆土厚度取為14.5m。

圖3 填土計算模型圖

為了減小邊界效應(yīng)對隧道結(jié)構(gòu)的影響，兩個模型的計算寬度均取60m，深度均取地面以下60m。兩個計算模型中，土層均采用摩爾-庫倫模型模擬，土層厚度以及物理力學(xué)參數(shù)取值均一致；隧道襯砌均采用梁單元模擬，管片直徑取為6.4 m，管片厚度取為0.3 m，隧道結(jié)構(gòu)周邊土體均采用細密單元加密。計算分析模型左右兩側(cè)設(shè)置水平向鏈桿，底部設(shè)置垂直向鏈桿，上部為自由邊界。

(2)計算結(jié)果分析

對于填土(加載)工況，區(qū)間隧道上部覆土厚度為9.6m，根據(jù)管片配筋分類：埋深<10m時為淺埋管片，其中主筋配筋123.7kg/m3；埋深10～15m時為中埋管片，其中主筋配筋143.5kg/m3；埋深15～20m時為深埋管片，其中主筋配筋163.2kg/m3；埋深>20m時為超深埋管片，其中主筋配筋188.8kg/m3，該區(qū)間管片選用中埋管片。若填土高度≤10m，管片配筋需增至深埋，配筋增加量為13.7%；若10 m<填土高度≤20m，管片配筋需增至超深埋，配筋增加量高達31.7%。綜合工程安全性、經(jīng)濟性等因素，計算模型模擬了隧道上方填土3.0m、填土5.0m、填土10m三個堆載工況。

對于卸土(卸載)工況，區(qū)間隧道上部覆土厚度為14.5m，為了防止上部壓載不足導(dǎo)致已建隧道發(fā)生上浮，上部覆土至少有1倍的隧道直徑(6.4m)厚度，則上部可卸厚度≤8m，根據(jù)實際情況，計算模型模擬了隧道上方卸土3.0m、卸土5.0m、卸土8.0m三個卸載工況。

將六個工況計算得到的已建隧道結(jié)構(gòu)附加變形值進行匯總，如表5所示。

表5 各種工況下已建隧道變形表

根據(jù)計算結(jié)果可知，對位于中等風化灰?guī)r中的隧道結(jié)構(gòu)，在其上部進行填土3～10m、卸土3～8m，即使不采用加固等保護措施，隧道結(jié)構(gòu)縱向沉降與隆起、隧道收斂值均能滿足結(jié)構(gòu)變形控制要求。

7 結(jié)論

(1)隧道結(jié)構(gòu)施工完成后，需控制周邊場地的堆載、卸載高度。為保證已建成的隧道結(jié)構(gòu)安全，當隧道頂位于中等風化灰?guī)r下2.5m時，堆載高度不得大于10m、卸載高度不得大于8m。

(2)若在區(qū)間隧道周邊進行景觀或地下空間開發(fā)，已建隧道上方堆載、卸載高度大于上面提到的高度時，則需根據(jù)區(qū)間的實際建設(shè)、運營情況采取相應(yīng)的保護措施，避免隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大變形甚至破損、管片接縫處張開、滲漏等損傷。