高架橋近接施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道的影響評(píng)價(jià)研究

葉逢春，夏 霄，甘鵬路,2

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省智慧軌道交通工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311225)

近年來，在修建快速路時(shí)經(jīng)常遇到高架橋樁基鄰近盾構(gòu)隧道側(cè)向施工的情況，鉆孔樁施工、承臺(tái)開挖等不可避免地對(duì)隧道周圍土體造成擾動(dòng)，進(jìn)而引起既有隧道的位移變化，影響運(yùn)營隧道的公共安全[1-2]。國內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)橋梁近接隧道施工的問題進(jìn)行了相關(guān)研究。董必成以深圳月亮灣立交改造工程為背景，通過數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了橋梁鄰近地鐵盾構(gòu)施工方案的可靠性[3]。郭力和李太杰通過三維模型研究了新建樁基施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道位移影響，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)管片變形以沉降為主，且最大收斂變形出現(xiàn)在縱向[4]。張偉等對(duì)單樁鄰近隧道施工進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，研究了立交橋單橋墩樁基礎(chǔ)與雙橋墩樁基礎(chǔ)在施工及承載階段對(duì)盾構(gòu)隧道管片變形與內(nèi)力影響的優(yōu)劣[5]。丁智和張霄通過改變樁—隧相對(duì)位置、隧道埋深、水平凈距、樁基半徑和考慮群樁因素，研究了靜壓樁基施工對(duì)軟土地區(qū)既有地鐵隧道的影響[6]。蔡乾廣等介紹了試驗(yàn)樁及內(nèi)插樁施工期間對(duì)盾構(gòu)隧道沉降的影響程度，總結(jié)出跳樁施工、連續(xù)穿透、及時(shí)注漿、自動(dòng)化監(jiān)控等有益方法[7]。本文以杭州市崇賢至老余杭連接線工程為背景，通過隧道檢測(cè)對(duì)盾構(gòu)管片健康狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查，提出合理的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，再基于數(shù)值模擬分析了高架橋近接施工情況下的隧道變形情況，為類似鄰近工程設(shè)計(jì)施工提供了可借鑒的可靠安全評(píng)價(jià)方法。

1 近接工程概況

1.1 相互位置關(guān)系

崇賢至老余杭連接線工程位于杭州市余杭區(qū)，為東西向快速通道，線位串聯(lián)臨平創(chuàng)業(yè)城、良渚文化城和未來科技城三大城市片區(qū)。本工程里程K32+589.5～K32+724.0為高架橋段施工，橫跨杭州地鐵5號(hào)線金星站—綠汀路站區(qū)間隧道的控制保護(hù)范圍。區(qū)間隧道頂埋深約15.3m，外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，環(huán)寬1.2m，為錯(cuò)縫拼裝。高架橋梁樁的樁長為25.5m/21m，樁徑約1.5m，與盾構(gòu)的最小水平凈距為5.9m，承臺(tái)矩形尺寸為10.9m×6.3m×2.5m，開挖深度約3.9/4.1m，承臺(tái)底與區(qū)間隧道的最小豎向凈距約11.4m，兩者相互位置關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 高架橋與地鐵5號(hào)線金綠區(qū)間剖面關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度為3～20m，按地質(zhì)成因時(shí)代及其工程特征，可分為：淺表層厚薄不一的填土層；其下為湖沼積的粉質(zhì)粘土，海積的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、沖湖積粘性土、坡洪積的含礫粉質(zhì)粘土、殘坡積土。前第四系基巖為上奧陶統(tǒng)長塢組（O3c）的泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖。涉地鐵5號(hào)線處的填土厚約2.0m；粉質(zhì)粘土約3.0m；淤泥質(zhì)粘土厚約8.0m；粘土厚約8.0m；全風(fēng)化砂礫巖約1.0m；強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖約7.0m其下為中風(fēng)化砂礫巖。

1.3 高架橋施工方案

高架橋墩的跨徑為54.5m，上部結(jié)構(gòu)為組合鋼板梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱大挑臂蓋梁。橋墩下設(shè)矩形承臺(tái)和6 根樁基礎(chǔ)，樁基為嵌巖樁樁底進(jìn)入中風(fēng)化泥巖。樁基采用常規(guī)旋挖鉆施工，泥漿相對(duì)密度宜控制在1.2～1.3，采用C30水下混凝土。承臺(tái)選用鋼板樁圍堰支護(hù)開挖方式，鋼板樁圍護(hù)的施工則采用靜壓施工，靠近地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)的鋼板樁不拔出。鋼板樁為拉森Ⅳ型，鋼板樁頂部50cm范圍內(nèi)采用工字鋼圍檁進(jìn)行四周支護(hù)，承臺(tái)開挖至承臺(tái)底標(biāo)高以下20cm后立即破除樁頭并用混凝土進(jìn)行基坑封底。

高架橋的鋼板組合梁采用分段吊裝施工，設(shè)置臨時(shí)支墩，待鋼板組合梁安裝完成后，再將其拆除。組合鋼梁節(jié)段最大重量86t，擬采用2 臺(tái)180t 大型汽車吊進(jìn)行安裝作業(yè)。安裝順序?yàn)椋?8.75m節(jié)段→15.75m節(jié)段→36m節(jié)段→44m節(jié)段，如圖2所示。臨時(shí)支墩下部為擴(kuò)大基礎(chǔ)，用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)頂部預(yù)埋膨脹螺栓，基礎(chǔ)底鋪設(shè)16mm厚鋼板。

圖2 鋼板組合梁吊裝平面布置示意圖

2 地鐵5號(hào)線結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)

為確保本工程施工對(duì)地鐵5號(hào)線結(jié)構(gòu)影響可控，在開工前對(duì)杭州地鐵5號(hào)線金星站—綠汀路站區(qū)間隧道的上下行線KII2+877.5～KII3+031.8 合計(jì)262 環(huán)進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查。截止至2020 年4 月，影響范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道的斷面變形數(shù)據(jù)和管片病害情況分別如表1 和表2 所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共計(jì)有17處環(huán)縫濕跡，4處縱縫濕跡，2處螺栓孔濕跡和4處環(huán)縫滲水。相鄰盾構(gòu)管片的環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量最大值為9mm，出現(xiàn)在289 環(huán)與290 環(huán)3 點(diǎn)鐘方向，根據(jù)《盾構(gòu)法隧道工程施工與驗(yàn)收規(guī)范》（GB50446-2017），成型地鐵隧道相鄰管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量允許偏差為15mm，現(xiàn)狀情況滿足要求。

表1 盾構(gòu)管片水平直徑差異量情況統(tǒng)計(jì)表

表2 隧道管片病害分類統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》（DB33/T1139-2017）的相關(guān)規(guī)定，可以判定影響范圍內(nèi)地鐵5號(hào)線金星站—綠汀路站區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)安全狀況為“Ⅱ類”——“變形較大或結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重”，保護(hù)等級(jí)為最高的“A級(jí)”。綜合高架橋與地鐵的相對(duì)位置關(guān)系，地鐵結(jié)構(gòu)安全狀況、工程和水文地質(zhì)條件、外部作業(yè)影響程度等因素，可以提出相應(yīng)的變形控制指標(biāo)：①水平位移、豎向位移、相對(duì)收斂、差異沉降：±5mm；②變形曲率半徑：15000m；③變形相對(duì)曲率：1/2500；④外壁附加荷載：20kPa。

3 近接施工數(shù)值模擬

3.1 三維數(shù)值模型建立

采用Midas GTS軟件對(duì)本工程近接施工進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型的Y方向（垂直于軌道交通走向）取130m，X方向（平行于軌道交通走向）取220m，Z方向（厚度方向）取50m，高架橋與盾構(gòu)隧道的相對(duì)關(guān)系如圖3所示。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側(cè)約束條件為水平方向固定，豎直方向自由；地表面自由。

圖3 高架橋鄰近盾構(gòu)隧道施工整體模型圖

3.2 計(jì)算參數(shù)及模擬工序

計(jì)算中巖土體單元采用小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)單元采用彈性本構(gòu)模型。小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型可以同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，采用MC 破壞準(zhǔn)則，適合于多種土類的破壞和變形行為的描述，特別適合模擬基坑開挖的變形性狀。根據(jù)工程地勘參數(shù)，得到土體小應(yīng)變硬化模型參數(shù)見表3。

表3 土體小應(yīng)變硬化模型參數(shù)表

根據(jù)高架橋的施工步序，模型施工計(jì)算步驟根據(jù)各建設(shè)內(nèi)容的先后順序進(jìn)行，具體為：①地應(yīng)力平衡；②激活地鐵盾構(gòu)管片；③高架橋梁樁基施工；④橋梁承臺(tái)開挖施工；⑤箱梁吊裝施工；⑥施加運(yùn)營期間荷載。

3.3 計(jì)算分析結(jié)果

崇賢至老余杭連接線高架橋施工引起的地鐵5 號(hào)線水平位移和豎向位移云圖如圖4所示。通過分析高架橋各個(gè)施工步序中盾構(gòu)隧道的變形情況可知：

圖4 高架橋鄰近盾構(gòu)隧道施工計(jì)算結(jié)果

（1）樁基施工引起的最大隧道水平位移為-1.7mm，豎向位移為-1.8mm，隧道收斂變形1.5mm；

（2）承臺(tái)施工后，盾構(gòu)最大隧道水平位移為-1.8mm，豎向位移為-1.9mm，隧道收斂變形1.7mm；

（3）吊裝施工后，盾構(gòu)最大隧道水平位移為-1.8mm，豎向位移為-2.0mm，隧道收斂變形2.0mm；

（4）運(yùn)營期間，盾構(gòu)最大隧道水平位移為-1.8mm，豎向位移為-2.0mm，隧道收斂變形2.0mm；

（5）按臨時(shí)支墩布設(shè)為條形基礎(chǔ)形成板帶，傳遞荷載小于20kPa，整體地鐵隧道變形滿足上述變形控制指標(biāo)要求。

4 結(jié)語

本文通過分析管片健康現(xiàn)狀檢測(cè)和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，對(duì)崇賢至老余杭連接線高架橋鄰近地鐵5號(hào)線盾構(gòu)隧道施工安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論和建議：

（1）基于斷面掃描，統(tǒng)計(jì)出影響區(qū)域內(nèi)地鐵5 號(hào)線共有25 處濕跡或滲水，管片最大錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到9mm，盾構(gòu)隧道處于變形較大或結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重的II 類狀況，在施工過程中應(yīng)持續(xù)對(duì)盾構(gòu)管片健康狀態(tài)進(jìn)行復(fù)測(cè)；

（2）若高架吊裝及道路回填荷載控制在20kPa（傳遞到地鐵設(shè)施壁）以內(nèi)，高架橋施工引起的盾構(gòu)隧道最大水平變形為-1.8～1.8mm，最大豎向變形為-1.0～-2.0mm，最大收斂變形為1.2～2.0mm，滿足變形控制要求；

（3）通過在承臺(tái)開挖時(shí)控制基坑降水，并平衡開挖，同時(shí)在吊裝施工時(shí)，對(duì)臨時(shí)支墩基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)大，確保臨時(shí)墩下擴(kuò)展基礎(chǔ)及鋼筋混凝土墊層擴(kuò)散至地鐵設(shè)施結(jié)構(gòu)外壁的附加荷載小于控制值20kPa，可進(jìn)一步提高鄰近施工的安全性。