合肥某地鐵區(qū)間上方道路施工卸載計(jì)算分析

王斌，魏東方 （合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

1 工程概況

合肥軌道交通5號(hào)線某區(qū)間隧道長(zhǎng)912.798m，線間距為14m，區(qū)間覆土9.2 m～12.25m，本段區(qū)間線路為直線，線路縱斷面呈單坡，最大坡度為12‰。區(qū)間隧道主體采用盾構(gòu)法施工，雙線單洞隧道，隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m，管片厚0.3m，混凝土等級(jí)C50。是由1塊封頂塊、2塊臨接塊、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成的裝配式襯砌結(jié)構(gòu)。區(qū)間隧道所在區(qū)域地層自上而下分別為（1）2素填土、（6）1黏土、（6）2黏土、（6）3粉質(zhì)黏土、（6）5粉細(xì)砂、（7）2粉質(zhì)黏土、（9）11全分化泥質(zhì)砂巖、（9）12強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、（9）13全分化泥質(zhì)砂巖。具體各地層參數(shù)詳見表1，區(qū)間穿越地層為合肥地區(qū)典型老黏土層。區(qū)間隧道所在位置地下水主要為第四紀(jì)松散巖類孔隙水和碎屑巖孔隙、裂隙水和地表水。區(qū)間地質(zhì)縱斷面情況詳見圖1。

圖1 地鐵區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

區(qū)間主要地層物理力學(xué)參數(shù)表 表1

區(qū)間隧道上方建設(shè)道路為城市次干道，雙向4車道，道路斷面采用7.5m機(jī)動(dòng)車道+3.5m綠化帶+3.5m非機(jī)動(dòng)車道+3.5m人行道方式對(duì)稱布置，道路紅線寬度36m。路床開挖深度約1.4m。道路主要管線為DN2000雨水管、DN800污水管、DN500供熱管、DN400給水管及DN300燃?xì)夤?。道路平行位于區(qū)間隧道正上方，道路管道施工最大開挖深度5.4m，最大卸荷比達(dá)25%,管槽坑距離隧道最小凈距6.6m。具體位置關(guān)系情況見圖2。

圖2 道路管線與區(qū)間隧道關(guān)系圖

2 道路開挖卸載方案

區(qū)間隧道左線上方道路施工，有一條待建DN2000混凝土質(zhì)雨水管，右線上方待建DN800混凝土質(zhì)污水管。右線上方DN800混凝土質(zhì)污水管采用頂管法施工，無需進(jìn)行開挖，對(duì)既有區(qū)間隧道影響較小。左線上方DN2000混凝土質(zhì)雨水管由于覆土較淺且管徑較大，無法進(jìn)行頂管施工，只能采用明挖法施工?？紤]到區(qū)間上方雨水管及道路開挖會(huì)導(dǎo)致已建地鐵隧道產(chǎn)生上浮的情況，針對(duì)這一問題，施工開挖采用分層跳倉(cāng)抽條的施工工序。第一步先根據(jù)管節(jié)長(zhǎng)度沿著管道鋪設(shè)的方向進(jìn)行分倉(cāng)，分A、B兩大區(qū)域，并跳倉(cāng)進(jìn)行開挖，開挖至路床面。第二步對(duì)A區(qū)域進(jìn)行第二次分倉(cāng)，分a1、a2兩個(gè)區(qū)域，先開a1同時(shí)埋設(shè)管道并回填。第三步繼續(xù)開挖a2區(qū)域，埋設(shè)管線后回填。第四步在B區(qū)域中也進(jìn)行二次分倉(cāng)，分b1、b2兩個(gè)區(qū)域，先開挖b1區(qū)域。第五步埋設(shè)管線后回填。第六步開挖b2區(qū)域。第七步埋設(shè)管線后回填。分步卸載時(shí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值與控制值之間時(shí)，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)。當(dāng)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，應(yīng)在隧道內(nèi)采取配重壓載或者地層加固的方式防止隧道上浮過大，影響隧道結(jié)構(gòu)安全。具體實(shí)施方案詳見圖3。

圖3 道路開挖施工工序圖

3 數(shù)值計(jì)算分析

對(duì)盾構(gòu)法隧道而言，地層開挖前隧道處于受力平衡與穩(wěn)定狀態(tài)。地層開挖，卸載隧道上方荷載，破壞隧道周邊的拱作用，使隧道襯砌上的側(cè)壓增大，拱頂向上變形；地層卸載引起地層整體隆起變形，進(jìn)一步增大隧道的變形量，隧道變形為豎鴨蛋形。因此開挖過程中，應(yīng)根據(jù)開挖至管槽底面線的最不利工況，驗(yàn)算隧道變形是否滿足軌道交通結(jié)構(gòu)變形要求，并驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載力及正常使用狀態(tài)是否滿足要求。開挖至換填底面線后，進(jìn)行路床、路面施工，同時(shí)存在重型機(jī)械碾壓，這對(duì)下方隧道起加載作用。加載作用能抑制開挖階段隧道產(chǎn)生的隆起變形，但對(duì)結(jié)構(gòu)的受力是不利的。因此回填階段，應(yīng)根據(jù)隧道現(xiàn)狀提出所能承受的最大荷載，從而提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)保護(hù)措施和施工要求。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）的規(guī)定，對(duì)于已建成的區(qū)間隧道應(yīng)滿足表2的要求。

城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值 表2

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，提出道路施工對(duì)5號(hào)線影響的控制標(biāo)準(zhǔn)，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)徑向收斂≤10mm；盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)差異沉降0.04%La＜2mm、4mm、6mm、8mm（對(duì)于監(jiān)測(cè)斷面間距分別為5m、10m、15m、20m）,La是相鄰測(cè)點(diǎn)間距；管片環(huán)縱縫張開量＜2mm；結(jié)構(gòu)不得有內(nèi)外貫穿裂縫和寬度大于0.2mm的裂縫。

為研究道路直接開挖和采用分層跳倉(cāng)抽條的方式開挖，對(duì)既有地鐵區(qū)間的影響的區(qū)別。區(qū)間上方管線開挖選擇典型斷面進(jìn)行模擬計(jì)算分析。采用大型有限元軟件midas.gts NX建立90m×40m×30m模型來模擬管線卸載工況。單元采用6面體單元，土體本構(gòu)模型選用修正摩爾庫(kù)倫，區(qū)間隧道采用板單元進(jìn)行模擬。計(jì)算模型見圖4，計(jì)算結(jié)果見圖5。

本工程安全控制指標(biāo)值 表3

圖4 計(jì)算模型

圖5 一次性開挖計(jì)算結(jié)果

圖6 分層跳倉(cāng)抽條發(fā)開挖結(jié)果

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果分析，采用大開挖的方式隧道上浮最大約20.5mm，大于控制值20mm，不滿足結(jié)構(gòu)安全要求。而在采用分層跳倉(cāng)抽條的情況下，隧道上浮最大約9.4mm，最大差異沉降約3mm，管片徑向收斂6mm，管片環(huán)縱縫張開量1.2mm，管片裂縫0.15mm，均小于控制值，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。故采用分層跳倉(cāng)抽條法能較好地控制隧道上浮，保證結(jié)構(gòu)安全。通過對(duì)直接開挖和分層跳倉(cāng)抽條開挖法對(duì)比不難看出，在增加一些可接受的工序環(huán)節(jié)后，大大減少了對(duì)既有區(qū)間隧道的影響，保證了結(jié)構(gòu)的安全。

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，項(xiàng)目間交叉情況越來越多。研究分析工程間相互影響也變得日趨重要。尤其是地鐵建設(shè)完成后，在既有地鐵區(qū)間隧道上開挖卸載，相比采用加固的方法，通過研究施工步驟來減小施工對(duì)既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響，在造價(jià)、工期和環(huán)保等方面都有較積極的意義。