涉航作業(yè)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全影響分析

楊 才，王世君

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州510010）

隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，地鐵線路變得越來(lái)越密集，在水系發(fā)達(dá)的地區(qū)，盾構(gòu)不可避免地會(huì)下穿江河湖泊，同時(shí)，一些用盾構(gòu)法施工的地鐵隧道與現(xiàn)有碼頭及錨地等涉航建筑物距離較近，需要充分論證對(duì)彼此的安全影響。一方面由航評(píng)報(bào)告論證地鐵盾構(gòu)施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)相關(guān)航道設(shè)施的影響，另一方面需要對(duì)周邊航道設(shè)施及相關(guān)作業(yè)對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響進(jìn)行評(píng)估。航道相關(guān)作業(yè)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)隧道的影響主要有航道疏浚養(yǎng)護(hù)、護(hù)岸維護(hù)加固、沉船打撈、靠離泊碼頭作業(yè)、碼頭加固維修及拆除、船舶拋錨、碼頭堆載、錨地船舶停泊等。目前大多學(xué)者對(duì)地鐵盾構(gòu)下穿河道的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了研究，荊鴻飛［1］通過(guò)主城區(qū)段地鐵區(qū)間隧道下穿河流實(shí)例，分析了選用暗控法的施工風(fēng)險(xiǎn)，提出了相應(yīng)的方案措施，確保安全通過(guò)下穿河流段。吳波［2］提出的地鐵隧道過(guò)河過(guò)橋施工安全控制模式方案可行，確保了施工安全。魏綱［3］推導(dǎo)出了地面工后固結(jié)沉降的理論計(jì)算公式，并運(yùn)用于上海軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工引起的地面長(zhǎng)期沉降計(jì)算，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值非常吻合。張慶賀等人［4］推導(dǎo)了土壓平衡盾構(gòu)開(kāi)挖工作面水土壓力與密封艙內(nèi)壓力動(dòng)態(tài)平衡公式，得到了盾構(gòu)穿越水底淺覆土保持土體及隧道穩(wěn)定所需的最小覆土厚度。鮮有學(xué)者對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)后航道作業(yè)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響進(jìn)行研究，本文以某地鐵隧道下穿京杭運(yùn)河為例，分析了地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)涉航作業(yè)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全影響，對(duì)其他類似工程具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某地鐵隧道穿越京杭運(yùn)河段航道設(shè)計(jì)底高程為-2.60 m，下穿隧道結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為-12.3 m，左線、右線處現(xiàn)狀河床泥面最低點(diǎn)高程分別為-3.25 m 和-3.24 m?，F(xiàn)狀航道兩側(cè)護(hù)岸為重力式漿砌塊石結(jié)構(gòu)，護(hù)岸底板下施打松木樁，松木樁底高程為左岸-5.88 m，右岸-4.50 m；材料供應(yīng)站碼頭2個(gè)鋼結(jié)構(gòu)裝卸平臺(tái)分別位于距本工程隧道上游5.9 m 以及下游38.6 m 處；隧道結(jié)構(gòu)邊緣線距下游梁山碼頭錨地最南端的靠船樁約7.3 m，樁長(zhǎng)25 m，樁頂標(biāo)高為3.0 m，樁底標(biāo)高為-22.0 m。地鐵隧道下穿京杭運(yùn)河段駁岸及碼頭現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 地鐵區(qū)間下穿京杭運(yùn)河段駁岸及碼頭現(xiàn)狀Fig.1 Current Situation of Revetment and Wharf of Subway Tunnel Crossing Jinghang Canal

2 軌道交通設(shè)施概況

2.1 管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

⑴設(shè)計(jì)使用年限：100年，安全等級(jí)一級(jí)；

⑵抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：按場(chǎng)地基本烈度提高一度設(shè)計(jì)；

⑶防水等級(jí)：二級(jí)；環(huán)縫、縱縫張開(kāi)6 mm 時(shí)，在0.8 MPa長(zhǎng)期水壓力下不漏水；

⑷人防荷載等級(jí)：6級(jí)；

⑸隧道運(yùn)營(yíng)階段抗浮安全系數(shù)：不小于1.1；

⑹隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，管片厚0.35 m，環(huán)寬1.2 m，采用3+2+1 的分塊方式，隧道曲線擬合采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左右楔形轉(zhuǎn)彎環(huán)的形式；盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural Diagram of Shield Tunnel

⑺管片混凝土等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P10。鋼筋為HPR235、HRB335 鋼。M30 環(huán)向螺栓12 只/環(huán)，M30 縱向螺栓16只/環(huán)。

地鐵隧道結(jié)構(gòu)在穿運(yùn)河段進(jìn)行加強(qiáng)，螺栓等級(jí)提高為8.8級(jí)，相應(yīng)位置全環(huán)增設(shè)共計(jì)16個(gè)注漿孔，經(jīng)驗(yàn)算，地鐵隧道管片的斷面安全性、連接縫安全性、千斤頂推力安全性均滿足要求（見(jiàn)表1）。

2.2 軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范：CJJ/T 202-2013》規(guī)定了城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)內(nèi)的各項(xiàng)外部作業(yè)的控制，及城市軌道交通結(jié)構(gòu)的控制保護(hù)要求，并對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)、安全評(píng)估、監(jiān)測(cè)提出了具體技術(shù)要求，對(duì)已建成和正在修建的城市軌道交通結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)工作具有指導(dǎo)作用。給出了城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值（見(jiàn)表2），可作為確定隧道變形容許量的依據(jù)。

表1 斷面安全性的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation Results of Section Safety

表2 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值Tab.2 Structural Safety Control Index Values of Urban Rail Transit

航道設(shè)施外部作業(yè)時(shí)地鐵盾構(gòu)隧道處于已運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。地下隧道結(jié)構(gòu)外邊線50 m內(nèi)，以及過(guò)江隧道結(jié)構(gòu)外邊線100 m內(nèi)為城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)。本項(xiàng)目工程特點(diǎn)如下：周邊場(chǎng)地條件好，無(wú)重要建筑物及管線。隧道穿越的土層為⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土（地基承載力特征值180 kPa）。⑦1粉質(zhì)黏土地基承載力高，抗剪強(qiáng)度高，彈性模量大，沉降隆起量小?；谝陨咸攸c(diǎn)，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值如表2所示。

3 涉航作業(yè)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全影響分析

3.1 航道疏浚養(yǎng)護(hù)

3.1.1 隧道抗浮計(jì)算

管片抗浮滿足要求。

式中：R2為管片外徑，取6.2 m；r2為管片內(nèi)徑，取5.5 m；γc為管片鋼筋混凝土重度，取25 kN/m3；γw為水重度，取10 kN/m3。

3.1.2 卸載比計(jì)算

隧道上方卸荷比可根據(jù)上方基坑與隧道的空間關(guān)系（見(jiàn)圖3），選取最不利斷面按式⑸計(jì)算：

式中，S1為隧道上方主要覆土區(qū)的基坑最大斷面面積（m2）；S為隧道上方主要覆土區(qū)的斷面面積（m2）；φ為隧道頂部以上土體的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角（°）。

圖3 隧道上方卸荷比計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Calculation Diagram of Unloading Ratio above Tunnel

本隧道覆土9.7 m，疏浚后覆土9.2 m。覆土區(qū)斷面面積S=126 m2，分布開(kāi)挖最大斷面面積S1=10 m2，卸載比ν=0.08，小于限值0.2，滿足規(guī)范要求［7］。

綜上所述，在控制保護(hù)區(qū)范圍可進(jìn)行航道疏浚養(yǎng)護(hù)，疏浚后的抗浮系數(shù)為2.04，卸載比0.08，均滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范：CJJ/T 202-2013》要求。

3.2 護(hù)岸維護(hù)加固

現(xiàn)狀航道兩側(cè)護(hù)岸為重力式漿砌塊石結(jié)構(gòu)，護(hù)岸底板下施打松木樁，松木樁底高程為左岸-5.88 m，右岸-4.50 m；護(hù)岸修復(fù)有以下類型：

3.2.1 護(hù)岸修復(fù)工程（一般程度）

一般程度破損、勾縫脫落的護(hù)岸修復(fù)：采用M20砂漿勾縫。

破損面積在1 m2及以下的護(hù)岸小洞：清理后采用C25毛石混凝土修復(fù)。

3.2.2 護(hù)岸修復(fù)工程（中等程度）

護(hù)岸整體結(jié)構(gòu)未受損、局部破損面積在1 m2以上、破損部分在水位變動(dòng)區(qū)的護(hù)岸修復(fù)：清理后采用C25毛石混凝土或C25灌漿塊石修復(fù)。

護(hù)岸整體結(jié)構(gòu)未受損、局部破損面積在1m2以上、破損部分在常水位以上的護(hù)岸修復(fù)：清理后采用M10漿砌塊石+C30鋼筋混凝土壓頂修復(fù)。

護(hù)岸僅壓頂破損：破損壓頂清除后使用C30 鋼筋混凝土澆筑修復(fù)。

以上日常維護(hù)加固產(chǎn)生的荷載控制在設(shè)計(jì)荷載20 kPa 以內(nèi)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響小，在控制保護(hù)區(qū)范圍可進(jìn)行一般護(hù)岸維護(hù)加固作業(yè)。

3.3 沉船打撈

3.3.1 沉船荷載計(jì)算

設(shè)計(jì)代表船型1 000 t級(jí)，假設(shè)水平下沉、下沉速度0.5 m/s，盾構(gòu)隧道外圍直徑6.2 m，埋深9.7 m。根據(jù)航評(píng)報(bào)告，設(shè)計(jì)代表船型1 000 t級(jí)貨船，一般約長(zhǎng)55 m，寬10.8 m，平均吃水深度約2.4 m。制動(dòng)時(shí)間△t取決于制動(dòng)距離△L。令△L=1.5 m，制動(dòng)過(guò)程中沉船加速度值不變，速度由0.5 m/s 變化為0，則由運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可得出制動(dòng)時(shí)間△t=6 s。將船只在水中的凈重量取為船只重量的70%［8］。

式中：G為船只重量；B為船只寬度；L為船只長(zhǎng)度；α為船只的水中凈重量與船只重量之比；M為船只的質(zhì)量；V為船只下沉的速度；△t為制動(dòng)時(shí)間；β1為沉船進(jìn)水系數(shù)，根據(jù)有關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)，可取為0.3；β2為船周水體的附加質(zhì)量系數(shù)，取為0.5；P為沉船對(duì)沉管隧道的附加荷載；Z為隧道頂部到河床表面的距離；θ為河床地基壓力擴(kuò)散角，一般可取為45°。

3.3.2 打撈作業(yè)

設(shè)計(jì)代表船型1 000 t級(jí)貨船，考慮意外沉船事故發(fā)生在盾構(gòu)上方，以及因此引起的打撈作業(yè)。結(jié)合目前船舶打撈常用的幾種打撈方式：

⑴浮筒打撈法：把浮筒灌滿水，沉入水底，與船連接，把浮筒內(nèi)水排出，可打撈沉船。在使用浮筒打撈沉船的工程中，為了保證沉船在上浮過(guò)程中有合適的縱傾和上浮速度，同時(shí)便于保持沉船出水后船位的穩(wěn)定，通常選擇在低平潮期間使沉船離底出水。

⑵全內(nèi)浮力打撈法：通過(guò)向沉船艙室輸入高壓空氣，形成內(nèi)浮力把沉船抬浮。這種方法可以省去大量的水下封補(bǔ)工作量，可以在風(fēng)浪大的海區(qū)先起浮沉船拖到淺水區(qū)域或風(fēng)浪較小的海區(qū)，再進(jìn)行封補(bǔ)、扳正。

⑶泡沫塑料打撈法：將比重輕的閉孔泡沫塑料輸入沉船艙內(nèi)，排去海水，借泡沫浮力抬起船舶，此法免去在沉船底穿引鋼纜的不便，且減少或免去封艙工作，也適應(yīng)海上風(fēng)浪下作業(yè)。

綜上所述，隧道覆土9.7 m，設(shè)計(jì)代表船型1 000 t級(jí)沉船傳遞到隧道頂?shù)暮奢d約5.1 kPa，小于設(shè)計(jì)荷載20 kPa。在控制保護(hù)區(qū)范圍可采用浮筒打撈法、全內(nèi)浮力打撈法等方法進(jìn)行沉船打撈作業(yè)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響較小。

3.4 碼頭加固維修及拆除

材料供應(yīng)站2 個(gè)碼頭均在地鐵特別保護(hù)區(qū)外，如需對(duì)現(xiàn)有碼頭修復(fù)加固，可以采用袖閥管注漿等加固方式。確需在現(xiàn)碼頭周邊施打樁基，樁型優(yōu)先選用非擠土樁，因?yàn)閿D土樁在成樁過(guò)程中，造成大量擠土，使樁周圍土體受到嚴(yán)重?fù)蟿?dòng)，土的工程性質(zhì)有很大改變，擠土過(guò)程引起的擠土效應(yīng)主要是地面隆起和土體側(cè)移，導(dǎo)致對(duì)隧道變形影響較大。隧道結(jié)構(gòu)外部作業(yè)水平凈距控制值為非擠土樁≥5 m，可采取減小樁徑、鋼套管護(hù)壁、增加泥漿比重、地基預(yù)加固、間隔跳開(kāi)施工等措施減少成樁施工影響［9，10］；今后對(duì)現(xiàn)有碼頭廢棄拆除可以采用靜態(tài)方法，減少對(duì)隧道震動(dòng)和擾動(dòng)，拆除時(shí)隧道上方施工荷載應(yīng)小于設(shè)計(jì)荷載20 kPa。

3.5 碼頭堆載

碼頭堆場(chǎng)處隧道埋深17 m左右，隧道設(shè)計(jì)地面超載已考慮碼頭設(shè)計(jì)荷載以及現(xiàn)狀重載車輛荷載，在特別保護(hù)區(qū)范圍碼頭后方堆載及車輛荷載控制在20 kPa以內(nèi)。

3.6 船舶拋錨

Plaxis 巖土工程有限元分析軟件是用于解決巖土工程的變形、穩(wěn)定性及地下水滲流等問(wèn)題的通用有限元系列軟件。它計(jì)算功能強(qiáng)大、運(yùn)算穩(wěn)定、界面友好，是解決當(dāng)前與未來(lái)復(fù)雜巖土工程問(wèn)題的專業(yè)計(jì)算分析工具?？梢詫?duì)土體的固結(jié)、滲流和蠕變等基本特性進(jìn)行模擬，并且較好地解決了樁土接觸問(wèn)題，在巖土工程研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

模型尺寸為120 m（長(zhǎng)）×50 m（高）。模型兩側(cè)均為水平約束（水平方向固定，豎直方向自由），底邊豎向及水平約束（水平、豎直方向固定）。

⑴將土層簡(jiǎn)化為水平層狀分布的彈塑性材料。本構(gòu)模型采用M-C彈塑性模型。

⑵土體采用二維實(shí)體單元模擬，樁和管片結(jié)構(gòu)采用板單元。

⑶模型底部約束水平和豎直方向變形；模型兩側(cè)約束水平變形，豎直方向變形不約束。

根據(jù)設(shè)計(jì)代表船型1 000 t級(jí)貨船，錨重約為0.9 t，小于設(shè)計(jì)荷載20 kPa。經(jīng)有限元分析，船舶拋錨隧道總位移云圖如圖4 所示，船舶拋錨后隧道變形量為水平位移0.03 mm，豎向位移0.24 mm，盾構(gòu)隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)為：水平變形20 mm，豎向變形20 mm，均滿足要求。地鐵隧道覆土9.7 m，大于1.0D（6.2 m），對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較小，在控制保護(hù)區(qū)范圍可進(jìn)行拋錨作業(yè)。

圖4 船舶拋錨隧道總位移云圖Fig.4 Total Displacement Cloud Chart of Ship Anchored

3.7 碼頭、錨地船舶停泊

1 000 t級(jí)內(nèi)河船靠泊撞擊力395 kN（法向0.3 m/s），系纜力135 kN。隧道結(jié)構(gòu)邊緣線距下游梁山碼頭錨地最南端的靠船樁約7.3 m，樁長(zhǎng)25 m，樁頂標(biāo)高為3.0 m，樁底標(biāo)高為-22.0 m。經(jīng)有限元分析，錨地系纜隧道總位移云圖如圖5 所示，系纜樁受力后變形產(chǎn)生擠土效應(yīng)，引起隧道變形量為水平位移2.95 mm，豎向位移4.69 mm，盾構(gòu)隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)為：水平變形20 mm，豎向變形20 mm，均滿足要求。

圖5 錨地系纜隧道總位移云圖Fig.5 Total Displacement Cloud Chart of Anchor Cable

綜上所述，材料供應(yīng)站碼頭2 個(gè)鋼結(jié)構(gòu)裝卸平臺(tái)分別位于距本工程隧道上游5.9 m 以及下游38.6 m處；隧道結(jié)構(gòu)邊緣線距下游梁山碼頭錨地最南端的靠船樁約7.3 m，船只靠離泊碼頭引起的樁基變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形影響較小，船只可在碼頭及錨地進(jìn)行系纜停泊作業(yè)。

4 結(jié)論及建議

⑴后期航道作業(yè)不可避免會(huì)對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生不利影響，地鐵隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)在穿運(yùn)河段進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，如采取提高管片連接螺栓等級(jí)，全環(huán)增設(shè)注漿孔等措施，減小外部作業(yè)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。

⑵通過(guò)實(shí)例分析，航道疏浚養(yǎng)護(hù)工況下隧道抗浮系數(shù)及卸載比均滿足規(guī)范要求；1 000 t 級(jí)沉船傳遞到隧道頂?shù)暮奢d、日常護(hù)岸維護(hù)加固、碼頭堆載產(chǎn)生荷載均可控制在設(shè)計(jì)荷載以內(nèi)；船舶拋錨、靠離泊碼頭及錨地船舶停泊對(duì)隧道產(chǎn)生的變形，均能滿足軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值要求，在控制保護(hù)區(qū)范圍可進(jìn)行上述一般涉航作業(yè)。

⑶護(hù)岸結(jié)構(gòu)拆除重建及碼頭加固維修及拆除對(duì)城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)有較大影響，涉航作業(yè)需要在隧道兩側(cè)進(jìn)行樁基施工的，樁型優(yōu)先選用非擠土樁，成樁施工順序應(yīng)遵循先近后遠(yuǎn)的原則；灌注樁距離軌道交通結(jié)構(gòu)較近時(shí)，可采取減小樁徑、鋼套管護(hù)壁、增加泥漿比重、地基預(yù)加固、間隔跳開(kāi)施工等措施減少成樁施工影響；擠土樁施工可采用預(yù)鉆孔、設(shè)置防擠溝、隔離墻等措施減少擠土效應(yīng)。作業(yè)單位應(yīng)當(dāng)在征求地鐵運(yùn)營(yíng)單位意見(jiàn)前，組織專家對(duì)軌道交通保護(hù)專項(xiàng)施工方案進(jìn)行審查論證，并在施工過(guò)程中委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)作業(yè)影響區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。