隧道病害條件下上方新建道路方案優(yōu)化

陳 翔

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，地下區(qū)間網(wǎng)絡(luò)越來越密，涉鐵（區(qū)間）保護(hù)的項(xiàng)目也越來越多，尤其以道路建設(shè)涉鐵（區(qū)間）項(xiàng)目最多。若地下區(qū)間埋深淺、病害多、地質(zhì)條件差，在鄰近隧道上方新建道路無論是開挖卸載還是回填壓實(shí)都會對區(qū)間隧道的位移、收斂產(chǎn)生較大影響且加重區(qū)間病害程度；因此對施工過程中如何保證既有區(qū)間穩(wěn)定、安全開展研究具有重要的工程意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前已有許多學(xué)者研究了鄰近工程對既有區(qū)間的影響。左殿軍等[1]利用數(shù)值模擬軟件研究了基坑開挖對鄰近盾構(gòu)隧道位移的影響，得出地表和隧道位移隨基坑開挖深度增加逐漸變大且在基坑內(nèi)支撐間距較大時(shí)，沉降與位移增加速率較大的結(jié)論?；趯?shí)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，魏綱[2]研究了基坑開挖對下臥既有隧道豎向變形的影響規(guī)律，得到了隧道最大隆起值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。許冠等[3]以軟土地區(qū)某鄰近軌道交通盾構(gòu)隧道的基坑工程為背景，通過有限元法分析原設(shè)計(jì)方案基坑施工對盾構(gòu)隧道的影響程度及規(guī)律并提出優(yōu)化方案。黃宏偉等[4]采用有限元分析軟件對基坑開挖誘發(fā)下臥隧道變形進(jìn)行研究，得出了基坑開挖對下臥隧道影響區(qū)域約為6 倍基坑寬度的結(jié)論。此外，還有一些研究人員也采用各種方法研究了基坑開挖過程中鄰近既有隧道的變形和應(yīng)力分布特征[5～8]。

目前，大多數(shù)學(xué)者對鄰近地鐵隧道區(qū)間工程的研究集中于基坑卸載對已建成區(qū)間的影響；而在區(qū)間病害嚴(yán)重、地質(zhì)條件差的情況下如何考慮建設(shè)方案優(yōu)化、區(qū)間加固措施，以保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全的研究成果較少?；诖?，本文以實(shí)際工程為例，采用地鐵區(qū)間現(xiàn)狀評估及數(shù)值模擬的方法，得到適合本區(qū)間的設(shè)計(jì)、施工方案，提出對既有區(qū)間的加固措施。

1 工程概況

某道路全長約492.53 m，為城市主干道，設(shè)計(jì)車速50 km/h，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為雙向橫坡，機(jī)動車道、非機(jī)動車道坡度2%，人行道坡度2%。

道路施工過程中最大挖深約為1.5 m，最大回填高度約為3 m，規(guī)劃路面距離某既有地鐵隧道盾構(gòu)區(qū)間拱頂約為10.9～18.4 m。見圖1。

2 既有地鐵現(xiàn)狀調(diào)查

2.1 區(qū)間現(xiàn)狀評價(jià)

地鐵隧道盾構(gòu)區(qū)間在施工完成至2015 年7 月1日期間，結(jié)構(gòu)達(dá)到地鐵驗(yàn)收穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；后期由于道路工程堆載原因?qū)е聟^(qū)間破壞。地鐵隧道大變形區(qū)段與外部工程位置具有較高的對應(yīng)性。道路施工活動和堆載破壞隧道原有平衡，在荷載作用下出現(xiàn)沉降，截至2016 年11 月20 日區(qū)間左右線道床同時(shí)出現(xiàn)橫向貫穿裂縫。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，相關(guān)區(qū)域累積沉降3～5 cm，左線K13+162 累計(jì)下沉-58.8 mm，K13+187 累計(jì)下沉-80.4 mm；右線K13+162 累計(jì)下沉-107.4 mm，K13+187 累計(jì)下沉-101.2 mm；左線水平收斂最大位置為ZDK13+170.7，最大收斂值57 mm；右線水平收斂最大位置為DK13+364.7，最大收斂值53 mm。破壞最大處位于新建道路下方。隧道病害為道床破裂、局部滲水，沉降和收斂超限制。見圖2-圖3。

圖2 區(qū)間沉降監(jiān)測

圖3 區(qū)間收斂監(jiān)測

2.2 地質(zhì)條件

工程屬于長江漫灘地質(zhì)，富水含砂，土質(zhì)較差。上覆土層為①2松散素填土、②1a2黏土、②2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（流塑），下臥土層為②4d2粉砂（中密）、②5d1粉砂（密實(shí)）。地鐵隧道區(qū)間位于②2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（流塑）、②3d3粉砂等土層（稍密），其中②2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土具有強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度中等的特點(diǎn)。見圖4和表1。

表1 土體物理性質(zhì)指標(biāo)

圖4 擬建道路工程處地鐵區(qū)間地質(zhì)剖面

3 優(yōu)化方案對隧道區(qū)間影響

3.1 隧道預(yù)加固

既有區(qū)間病害嚴(yán)重，需要對道床加固、裂縫修補(bǔ)注漿。綜合考慮工期因素，進(jìn)行了微擾動注漿以及鋼環(huán)加固，抑制區(qū)間沉降和收斂。見圖5。

圖5 鋼環(huán)加固施工步驟

3.2 方案優(yōu)化

將道路方案優(yōu)化為橋梁方案。采用有限元軟件MIDAS GTS-NX 分析在橋梁施工過程中，伴隨著打樁、橋墩和預(yù)應(yīng)力蓋梁、蓋板開挖對既有區(qū)間沉降和水平收斂的影響。見圖6。

圖6 橋梁與地鐵區(qū)間模型關(guān)系

橋梁樁基采用全回轉(zhuǎn)鋼套筒施工方法，減小打樁對區(qū)間的影響；橋墩、蓋梁采用間隔開挖、跳倉施工方法。

優(yōu)化后的橋梁+既有區(qū)間預(yù)加固方案較原道路方案可以明顯減小施工區(qū)間的豎向位移值和收斂值。本區(qū)段道床破裂，隧道病害嚴(yán)重，原道路方案隧道區(qū)間最大收斂最大已經(jīng)達(dá)到53 mm，施工完成后累計(jì)收斂值將達(dá)到91.6 mm，施工風(fēng)險(xiǎn)極大；優(yōu)化后的方案施工期間隧道沉降最大值為12.63 mm，施工工序中水平收斂最大值約為2.5 mm，風(fēng)險(xiǎn)可控。見圖7-圖9和表2。

表2 優(yōu)化方案計(jì)結(jié)果mm

圖7 開挖橋臺后豎向位移

圖8 施工橋臺以及預(yù)應(yīng)力蓋梁后豎向位移

圖9 原方案與優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

目前，工程已按照優(yōu)化方案施工完畢，道路已通車。根據(jù)監(jiān)測，施工期間區(qū)間豎向沉降12.34 mm，與分析誤差2.29%；水平位移2.84 mm，與分析誤差4.3%；收斂值2.32 mm，與分析誤差3.97%。

4 結(jié)論

1）在既有隧道區(qū)間上方新建道路，應(yīng)綜合考慮區(qū)間管片病害現(xiàn)狀、所處區(qū)位水文地質(zhì)條件等。當(dāng)區(qū)間病害嚴(yán)重，應(yīng)從工程方案階段進(jìn)行比選，選取對區(qū)間保護(hù)最優(yōu)方案。新建工程施工前應(yīng)根據(jù)區(qū)間病害情況提前完成對區(qū)間隧道的加固。

2）當(dāng)隧道區(qū)間處于漫灘地段且淺埋時(shí)，土質(zhì)靈敏度較高，在區(qū)間上方開挖卸載、回填對區(qū)間豎向位移、水平收斂影響較大。將方案優(yōu)化為樁基橋梁方案減小開挖和回填深度，可減小對既有區(qū)間的影響。

3）采用跳躍式間隔開挖、鋼套筒全回轉(zhuǎn)式旋挖成樁的施工措施，可以減小新建工程對既有區(qū)間的位移、收斂影響。