道路施工對(duì)既有隧道及公路的影響及其數(shù)值模擬

呂秋玲，劉 成

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著城市道路發(fā)展和大量交通工具的出現(xiàn)，城市交通變得越來(lái)越復(fù)雜。城市道路影響地下空間的正常運(yùn)營(yíng)時(shí)有發(fā)生，例如對(duì)地鐵及既有公路的變形影響。本文以合肥軌道交通1號(hào)線(xiàn)(珠江路站—錦繡大道站)區(qū)間段徽州大道的施工實(shí)例，重點(diǎn)分析其對(duì)地鐵及周?chē)h(huán)境的影響，旨在實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中的安全控制和優(yōu)化保護(hù)。

1 工程概況

1.1 研究背景與目的

擬建合肥市徽州大道(繁華大道—錦繡大道)呈南北走向，南與錦繡大道交叉，北過(guò)繁華大道，寬約60.0 m，雙向八車(chē)道，設(shè)計(jì)路面高程15.06～27.83 m，屬城市道路主干道。擬建道路正下方有軌道交通1號(hào)線(xiàn)，屬于珠江路站—錦繡大道站區(qū)間。道路施工需在1號(hào)線(xiàn)上方進(jìn)行開(kāi)挖卸載和回填加載，很可能造成地下地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生位移或變形，形成安全隱患。因此，需有效保護(hù)1號(hào)線(xiàn)珠江路站—錦繡大道站區(qū)間隧道，降低道路施工對(duì)該區(qū)間及鄰近公路的影響。

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

擬建場(chǎng)地地貌單元為江淮丘陵，道路沿線(xiàn)穿越微地貌單元為崗地、坳溝及十五里河一級(jí)階地，由第四紀(jì)沖積粘性土、粉土構(gòu)成上覆主要土層。第1層素填土：層厚0.5～4.3 m，層底標(biāo)高9.88～27.85 m，呈灰褐、灰黃、黃褐色等雜色，以松散狀態(tài)為主，濕～飽和，局部地段含大量磚塊、碎石等建筑垃圾及植物根莖等雜物。第2層粉土：層底標(biāo)高6.48～16.90 m，分布厚度較深，呈灰褐、褐黃色等，可塑狀態(tài)，局部軟塑狀態(tài)，很濕，含氧化物、鐵錳質(zhì)結(jié)核等，稍有光澤，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性中等。第3層粘土：層底標(biāo)高13.20～24.37 m，呈灰褐、褐黃色，以可塑狀態(tài)為主，局部硬塑，很濕，含氧化物、鐵錳質(zhì)結(jié)核等，稍有光澤，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性中等，主要分布于崗地與坳溝交界處[1-3]。

場(chǎng)地地表水主要為擬建道路中南段水塘、溝渠水，水深一般為0.7～2.5 m，水量一般。根據(jù)此次勘察資料，擬建場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要為兩類(lèi)[4]：一類(lèi)為分布于第1層雜素填土、①1層淤泥及含淤泥質(zhì)雜填土中的上層滯水，受大氣降水、地表水入滲補(bǔ)給，排泄途徑主要以蒸發(fā)及滲入低洼處為主，水量與地勢(shì)高低、填土厚度、季節(jié)性降水有較大關(guān)系。因場(chǎng)地填土厚薄不均，在坳溝及一級(jí)階地處水量較豐富。另一類(lèi)為分布于第4層粉質(zhì)粘土所夾粉土中的承壓水，主要受地下徑流及源頭地表水入滲、側(cè)向滲透補(bǔ)給，其水頭標(biāo)高一般為4～9 m，承壓水頭為1～2 m，具弱承壓性。根據(jù)區(qū)域水質(zhì)環(huán)境及此次水質(zhì)分析試驗(yàn)資料，擬建場(chǎng)地地下水(土)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。

2 道路施工設(shè)計(jì)方案

整個(gè)道路工程施工由2部分組成，即開(kāi)挖卸載過(guò)程和回填加載過(guò)程。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和有關(guān)規(guī)范規(guī)定，該工程段處于明挖隧道上方，在道路開(kāi)挖過(guò)程中，將影響下方明挖隧道頂板抗浮安全系數(shù)和豎向位移。在施工前已經(jīng)做好了設(shè)計(jì)方案。第1部分進(jìn)行道路整體開(kāi)挖，在原有土層基礎(chǔ)上分3個(gè)步驟進(jìn)行，以地下隧道運(yùn)行軌跡為中心，沿雙向隧道寬度擴(kuò)展到16.7 m為開(kāi)挖面，進(jìn)行深度為2.5 m的第1步開(kāi)挖，然后以第1層開(kāi)挖面為界進(jìn)行道路的第2次、第3次開(kāi)挖，開(kāi)挖寬度以在建道路為界，開(kāi)挖深度為1.5 m。第2部分為道路整體鋪填，在第1部分開(kāi)挖面的基礎(chǔ)上進(jìn)行原地表土層厚度的鋪填，鋪填土為黏土[5]。為了避免施工對(duì)地下隧道的影響，在鋪填施工中注意施工機(jī)械的等效靜力荷載不能超過(guò)設(shè)計(jì)允許值，對(duì)道路進(jìn)行剛性鋪修，設(shè)計(jì)厚度與其南側(cè)的錦繡大道齊平，為2.5 m。在模擬過(guò)程中以一定的路面靜力荷載代替，以實(shí)現(xiàn)模擬的方便性和真實(shí)性。

3 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析

為研究道路開(kāi)挖卸載和回填加載2種工況[1]對(duì)下臥明挖隧道結(jié)構(gòu)變形的影響[6]，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行分析。

3.1 模型建立

采用Midas NX軟件建立模型，模型邊界長(zhǎng)度為實(shí)際工程的3～5倍，尺寸為170 m×160 m×60 m(縱向×橫向×豎向)。土層本構(gòu)模型為修正摩爾庫(kù)倫模型，隧道結(jié)構(gòu)為彈性本構(gòu)模型。邊界條件由2部分組成，即模型土層與地下隧道邊界控制、道路開(kāi)挖面的邊界控制。添加相關(guān)的靜力荷載，自重和道路路面均布荷載，不考慮動(dòng)力荷載和地下水作用。模型由4個(gè)部分組成，土層、隧道、既有錦繡大道和在建徽州大道。模型整體網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

圖1 模型整體網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 模型參數(shù)與工況分析

結(jié)合模型基本情況和工況地質(zhì)條件，地層參數(shù)采用實(shí)體單元模擬，明挖隧道采用二維板單元模擬。道路施工分為開(kāi)挖卸載和鋪填加載2個(gè)部分。根據(jù)地勘報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)情況，土層參數(shù)見(jiàn)表1，頂板、底板、中隔墻、側(cè)板的結(jié)構(gòu)屬性見(jiàn)表2，道路施工工況見(jiàn)表3。

表1 土層參數(shù)

表2 頂板、底板、中隔墻、側(cè)板的結(jié)構(gòu)屬性

表3 道路施工工況

3.3 有限元分析

3.3.1開(kāi)挖施工對(duì)隧道及公路變形影響分析

開(kāi)挖卸載工況下既有隧道和公路的位移云圖如圖2所示。

(a) 總位移

從圖2可知，道路開(kāi)挖卸載工況下，既有隧道和公路的水平位移較小，最大和最小水平位移出現(xiàn)在公路上，分別為0.19 mm和0.12 mm，隧道整體變形更小。在豎向位移上，公路鄰近施工道路一側(cè)表現(xiàn)為微小隆起，隧道整體呈隆起狀態(tài)，在道路施工面范圍內(nèi)隆起值最大為1.64 mm，隧道從中部到兩端的隆起值逐漸減小，到達(dá)端部，出現(xiàn)沉降。這是由于道路開(kāi)挖卸載對(duì)隧道產(chǎn)生了變形作用。結(jié)合隧道和公路總位移云圖，整體模型位移為正值，呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，隧道相對(duì)于公路來(lái)說(shuō)，受道路施工影響更大，從而總位移更大。

3.3.2回填施工對(duì)隧道及公路變形影響分析

回填加載工況下既有隧道和公路的位移云圖如圖3所示。

(a) 總位移

從圖3可知，道路回填加載下，既有隧道和公路的水平位移相對(duì)于開(kāi)挖工況下有明顯變化，最大和最小水平位移出現(xiàn)在公路和隧道上，分別為0.67 mm和0.32 mm。在豎向位移上，公路鄰近施工道路一側(cè)表現(xiàn)為較大沉降，并沿施工道路邊緣向四周逐漸減小，后又呈現(xiàn)微小隆起狀態(tài)，最大沉降值為4.10 mm；隧道整體呈沉降狀態(tài)，在道路施工面范圍內(nèi)沉降值最大，在2.68～3.74 mm范圍內(nèi)變化，隧道從中部到兩端沉降值逐漸減小，到達(dá)端部，出現(xiàn)隆起。這是由于道路回填加載對(duì)隧道產(chǎn)生了變形作用。結(jié)合隧道和公路總位移云圖，道路回填加載工況下的鄰近公路和隧道變形位移比開(kāi)挖卸載下的影響大，2種工況對(duì)公路和隧道的變形影響是不同的，可根據(jù)此類(lèi)規(guī)律在道路施工整個(gè)過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注道路鋪填加載階段，采取相應(yīng)控制措施[2]，降低結(jié)構(gòu)變形，確保施工安全。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

根據(jù)該工程設(shè)計(jì)文件和技術(shù)要求，針對(duì)《合肥市軌道交通1號(hào)線(xiàn)珠江路站—錦繡大道站區(qū)段詳細(xì)勘察報(bào)告》和相應(yīng)規(guī)范，確定在建道路施工過(guò)程中，影響地下隧道結(jié)構(gòu)最大的地方為隧道頂板處，由此確定監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為隧道頂板變形位移，在道路設(shè)計(jì)路面線(xiàn)以下土體開(kāi)挖：1次/8 h；回填完成1次/2 d，之后逐漸減小監(jiān)測(cè)頻率，直至道路施工完成且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。整理和處理分析相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隧道頂板的變形位移對(duì)比如圖4所示。

(a) 隆起位移

根據(jù)《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)[3]的規(guī)定，綜合考慮1號(hào)線(xiàn)的實(shí)際情況，提出徽州大道施工對(duì)1號(hào)線(xiàn)影響的隧道結(jié)構(gòu)水平和豎向位移控制標(biāo)準(zhǔn)為10 mm，此工程最大位移為3.68 mm，滿(mǎn)足要求。城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值見(jiàn)表4。

表4 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

由圖4和表4可知，隧道頂板隆起和沉降位移的監(jiān)測(cè)值與模擬值基本相同，誤差在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明此次數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)論

1)通過(guò)Midas NX數(shù)值模擬得到的道路開(kāi)挖卸載和回填加載對(duì)既有隧道和公路變形位移與相關(guān)變形結(jié)果與在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比基本相符，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

2)道路施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)在豎向位移上，對(duì)水平位移影響較小。

3)道路開(kāi)挖對(duì)既有隧道和公路產(chǎn)生隆起位移，道路回填對(duì)其產(chǎn)生沉降位移，并且道路回填加載工況下對(duì)既有隧道和公路的變形影響更大。在實(shí)際施工中要重點(diǎn)關(guān)注，做好控制措施，確保相似工程的安全進(jìn)行。