地道近距離穿越地鐵隧道的設(shè)計(jì)研究

黃中磊，吳 玥

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 河西 300200；2.河南省鄭州新區(qū)建設(shè)投資有限公司，河南 鄭州 450018)

1 背 景

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各大城市人口密度也迅速的增加，交通工具也越來越多，為了更好的解決城市的交通問題，開發(fā)地下空間成為一個(gè)熱門的解決方案，開發(fā)地下空間的施工工法有多種，管幕法作為一種較新型的支護(hù)方法，在目前穿越道路、橋梁、地鐵、機(jī)場(chǎng)、大型構(gòu)筑物等工程中，取得了一定的應(yīng)用。

同時(shí)，隨著我國(guó)各大城市軌道交通的迅猛發(fā)展，越來越多的構(gòu)筑物需要在地鐵區(qū)間附近施工，周圍構(gòu)筑物的施工會(huì)改變地鐵區(qū)間隧道或車站本身的受力狀態(tài)。從而對(duì)結(jié)構(gòu)不利的影響。

本文依托鄭州綜合交通樞紐東部核心區(qū)地下空間綜合利用工程六個(gè)連接通道項(xiàng)目，結(jié)合管幕工法的施工優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造性的采用管幕+頂進(jìn)的施工工藝，并對(duì)管幕和抗拔樁進(jìn)行設(shè)計(jì)組合，通過一系列的設(shè)計(jì)優(yōu)化使離地鐵垂直距離最近的4號(hào)通道(通道底板下管幕底底離地鐵管片垂直距離2.3 m)順利頂進(jìn)穿過地鐵隧道上方。并且控制地鐵變形在相關(guān)規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2 工程概況

鄭州綜合交通樞紐東部核心區(qū)地下空間綜合利用工程項(xiàng)目位于鄭東新區(qū)東南部。地塊長(zhǎng)約950 m，寬約1 000 m。工程西接?xùn)|站東廣場(chǎng)，東連規(guī)劃360 m塔樓、蓮湖景區(qū)；地鐵一號(hào)線貫穿通過，并設(shè)博學(xué)路站。地面道路、地下環(huán)路環(huán)繞主體，形成立體交通網(wǎng)絡(luò)。107輔道橫跨南北，貫通CBD商務(wù)區(qū)、新鄭機(jī)場(chǎng)。

本項(xiàng)目包括地上部分和地下部分，地上部分為人行步道橋、景觀公園、附屬設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)備用房；地下部分為地下一層附屬設(shè)施，地下二、三層地下車庫。工程占地總面積大，投資額度高，其中穿越地鐵1號(hào)線的六個(gè)連接通道是整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工難點(diǎn)。

圖1 地下空間項(xiàng)目效果圖

本次連接通道部分由六個(gè)人行通道組成。通道沿南北走向，并跨越鄭州地鐵1號(hào)線，其中1～4號(hào)連接通道跨越鄭州東站～博學(xué)路站區(qū)間，5～6號(hào)連接通道跨越博學(xué)路站～市體育中心站區(qū)間，均處于地鐵保護(hù)限界之內(nèi)。

3 管幕+頂進(jìn)工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化

綜合考慮國(guó)內(nèi)外臨近地鐵的通道的設(shè)計(jì)、施工方法，考慮到垂直方向上與地鐵的近距離關(guān)系，本次設(shè)計(jì)，的采用連接通道頂進(jìn)基坑采用鉆孔樁+冠梁鎖扣圍護(hù)形式。為防止因連接通道施工導(dǎo)致地鐵隧道隆起變形，設(shè)計(jì)采用Φ800@1 500抗拔樁+Φ1 200@1 500管幕+注漿門式加固措施，其中抗拔樁距離地鐵隧道邊最小距離5.1 m，管幕距離地鐵隧道邊最小距離2.1 m，最大距離5.03 m。頂管基坑施工期間和頂管頂進(jìn)期間必須對(duì)地連墻墻頂水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率不小于1次/d。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，1、2號(hào)通道頂進(jìn)力不得大于800 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于10 mm； 3號(hào)通道頂進(jìn)力不得大于800 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于20 mm；4號(hào)通道頂進(jìn)力不得大于500 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于24 mm；5號(hào)通道頂進(jìn)力不得大于500 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于20 mm；6號(hào)通道頂進(jìn)力不得大于700 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于20 mm。

圖2 箱體頂進(jìn)及管幕立面、橫斷面圖

4 管幕和抗拔樁連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于本項(xiàng)目來說，在地鐵區(qū)間隧道或區(qū)間車站進(jìn)行新的構(gòu)筑物施工前，施工工作坑的支護(hù)構(gòu)件，工作坑的支護(hù)構(gòu)件可為鋼板樁，鉆孔灌注樁等支護(hù)構(gòu)件形式，確定抗拔樁位，在所述抗拔樁位處依靠回旋機(jī)將鋼護(hù)筒下放至設(shè)計(jì)高，所述鋼護(hù)筒直徑要略大與抗拔樁外徑?？拱螛兑獫沧⒅凉苣幌? m以上，頂進(jìn)管幕，管幕頂進(jìn)至鋼護(hù)筒處，鋼護(hù)筒需切除并提升至地面，在管幕及抗拔樁交匯處切割管幕操作孔，截?cái)喙苣灰陨箱摻畈⑶謇順俄?，隨后繼續(xù)頂進(jìn)管幕。管幕間依靠工字鋼但不局限于工字鋼作為鎖扣連接，抗拔樁與管幕交接處需二次澆注混凝土，保證抗拔樁與管幕的連接，上述管幕內(nèi)灌注和抗拔樁同標(biāo)號(hào)的混凝土，待管幕和抗拔樁施工完畢后施工地鐵上方構(gòu)筑物即可。

圖3 管幕和抗拔樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5 通道對(duì)即有區(qū)間隧道的影響預(yù)測(cè)

常規(guī)基坑支護(hù)采用規(guī)范推薦的彈性地基梁法，僅用于分析基坑本身變形和安全?？紤]到周邊地鐵隧道和車站的安全，需要采用連續(xù)介質(zhì)有限元法進(jìn)行分析。最終采用的是plaxis 3d三維分析軟件，對(duì)基坑全過程的模擬分析。

5.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

基坑地連墻、圍護(hù)樁、地鐵站結(jié)構(gòu)、隧道的結(jié)構(gòu)用板單元來模擬，基坑的水平支撐簡(jiǎn)化為板單元模擬，均采用彈性模型，地鐵隧道板單元的彈性模量取值考慮了隧道管片間的連接作用，軸向剛度折減了25%，橫向折減了75%。

表1 各結(jié)構(gòu)參數(shù)表

5.2 數(shù)值分析模型

本項(xiàng)目共有6個(gè)連接通道，分別為1號(hào)～6號(hào)通道。其中1號(hào)和2號(hào)通道連接AC基坑，3號(hào)～6號(hào)基坑連接BD基坑。針對(duì)這6個(gè)連通道，建立了6個(gè)小模型，以研究其建造過程對(duì)其下的地鐵隧道的影響。

模型的建立以東西方向?yàn)閄軸，以南北方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸，網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，每個(gè)模型生成的節(jié)點(diǎn)數(shù)約53 000個(gè)，單元數(shù)約40 000個(gè)。連通道采用預(yù)制箱涵、帶土頂進(jìn)工藝實(shí)施，在預(yù)制箱涵與區(qū)間隧道之間利用直徑1 200頂管設(shè)置U形隔離保護(hù)層，同時(shí)在區(qū)間隧道中間及兩側(cè)打隔離樁(后續(xù)可作為連通道的抗拔樁)，U形隔離保護(hù)層與隔離樁、兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接。

隔離保護(hù)層和隔離樁均按照剛度等效的原則，簡(jiǎn)化為板單元模擬，1號(hào)通道的建立的模型如圖4、圖5。

圖4 1號(hào)連通道模型示意圖(整體)

圖5 1號(hào)連通道模型示意圖(網(wǎng)格)

5.3 數(shù)值分析模型

計(jì)算中按實(shí)際施工順序模擬各個(gè)連接連通道施工過程，具體模擬步驟為:連通道兩端明挖工作井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作一工作井基坑開挖一隔離樁及管幕施作一預(yù)制箱涵頂進(jìn)一箱涵內(nèi)土體清除。由于四號(hào)、五號(hào)通道豎直方向離地鐵僅有2.1 m，現(xiàn)以四號(hào)五號(hào)通道計(jì)算結(jié)果為例。經(jīng)計(jì)算4號(hào)連通道兩端明挖工作井基坑開挖后，基坑底部最大隆起約18 mm，由于4、5號(hào)通道尺寸較小，本無位移產(chǎn)生兩端工作井基坑開挖施工對(duì)隧道基本無影響，隧道結(jié)構(gòu)豎向和水平方向基本無位移產(chǎn)生。

隔離樁及管幕施作完成后，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生下沉，豎向位移值-1.2～-2.5 mm，水平方向基本無位移產(chǎn)生。

通道箱涵施工完成后，由于土體的卸載，箱涵及隧道結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)上浮趨勢(shì)，其中隧道結(jié)構(gòu)最終豎向位移值為0.9～1.6 mm，最大水平位移值0.43 mm。隧道結(jié)構(gòu)最大收斂值0.61 mm。箱涵結(jié)構(gòu)上浮0～2 mm。

圖6 隔離樁及管幕施作后地層位移云圖

圖7 隔離樁及管幕施作后管片豎向位移云圖

圖8 通道箱涵施工完成后地層位移云圖

圖9 通道箱涵施工完成后管片豎向位移云圖

4、5號(hào)連通道施工全過程中，不同部位施工引起的隧道變形情況不盡相同，隧道豎向位移呈現(xiàn)上下波動(dòng)。明挖工作井圍護(hù)施作完成后，隧道呈下沉趨勢(shì)，最大下沉量約2.2 mm;工作井基坑開挖完成后，隧道產(chǎn)生上浮，豎向位移最大值變?yōu)?0.03 mm;隔離樁及管幕施作完成后，隧道又出現(xiàn)下沉，豎向位移值變?yōu)?1.2～-2.6 mm;通道箱涵施工完成后，隧道再次產(chǎn)生上浮，最終豎向位移值為0.9～1.6 mm。整個(gè)過程中水平方向基本無位移產(chǎn)生，最大水平位移值0.43 mm。隧道結(jié)構(gòu)最大收斂值0.61 mm。

6 結(jié) 論

(1)本項(xiàng)目開工前，新博區(qū)間上方存在大量堆土，在既有堆土作用下，隧道己產(chǎn)生很大的下沉，且管片結(jié)構(gòu)己產(chǎn)生較大變形。施工以來的堆土清除必然會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)會(huì)有所回彈，且回彈有一定滯后性。1～6號(hào)連通道施工會(huì)引起隧道產(chǎn)生額外的隆起，但隆起值較小。

(2)根據(jù)隧道輪廓掃描結(jié)果及管片病害調(diào)查并結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算判斷，目前隧道管片變形小，安全閥值等均在可控范圍內(nèi)。

(3)通過對(duì)管幕+頂進(jìn)施工工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證在通道頂進(jìn)過程中地鐵結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定，通過管幕與抗拔樁的連接，為同類型地道近距離穿越地鐵隧道提供技術(shù)借鑒。