地鐵工程下穿既有道路的安全性分析及對(duì)策研究

王 濤,李寶國(guó),張佩佩

(1.北京城市快軌建設(shè)管理有限公司,北京 100028; 2.北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司,北京 100101)

0 引言

目前,我國(guó)城市化建設(shè)飛速發(fā)展,尤其是地鐵建設(shè)工程遍布城市中心[1-2]。地鐵工程在地下建設(shè)過(guò)程中,不可避免地會(huì)出現(xiàn)穿越既有道路的情況[3]。根據(jù)地鐵工程的施工工藝特點(diǎn),施工過(guò)程會(huì)對(duì)周圍巖土體產(chǎn)生影響,甚至引起上覆巖土層的變形。當(dāng)變形量超過(guò)既有工程允許范圍時(shí),既有工程會(huì)形成一定程度的損傷,則需要對(duì)既有工程進(jìn)行及時(shí)加固,以保證既有工程的安全性[4-5]。

地鐵工程是貫穿城市的地下空間工程,在建設(shè)過(guò)程中也會(huì)穿越城市地表的既有道路進(jìn)行施工[6-7]。為了控制車站施工對(duì)既有道路原狀土層產(chǎn)生的擾動(dòng)[8],保證原有土層的穩(wěn)定[9],減小道路結(jié)構(gòu)下沉,本文以某地鐵車站建設(shè)對(duì)既有道路的影響為研究背景,分析車站下穿既有道路產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形,提出地鐵車站施工過(guò)程中的建議和對(duì)策[10-21]。

1 工程概況

地鐵車站設(shè)計(jì)長(zhǎng)265.4 m,寬24.0 m,主體結(jié)構(gòu)跨度分別為7.6 m，7.2 m，7.6 m,底板埋深為32.2 m,拱頂覆土為14.6 m。車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙層三跨框架,施工方法采用暗挖PBA(Pile Beam Arc)工法,結(jié)構(gòu)頂拱由鋼格柵+噴射混凝土的初期支護(hù)和模注鋼筋混凝土的二次襯砌構(gòu)成,并且在兩次襯砌之間進(jìn)行柔性防水層的設(shè)置。主體結(jié)構(gòu)的側(cè)樁為灌注樁起到支撐作用,也起承載力樁基的作用,同時(shí)承擔(dān)暗挖逆筑法的豎向壓力,在灌注樁與結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻之間要求設(shè)置防水層。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探、原位測(cè)試和巖土試驗(yàn)結(jié)果的初步分析,勘探深度內(nèi)的地層按成因類型和沉積時(shí)代可分為兩類:人工堆積層和第四系沉積層。

2 模型建立

2.1 幾何模型

考慮模型的邊界效應(yīng)及計(jì)算效率,根據(jù)地鐵車站施工的影響范圍,模型寬度設(shè)為200 m。為了附加應(yīng)力系數(shù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響,將模型深度設(shè)為90 m。沿地鐵施工開挖方向,取模型長(zhǎng)度為400 m,具體幾何模型如圖1所示。

2.2 模型參數(shù)

既有道路路面結(jié)構(gòu)材料設(shè)為線彈性模型,地層土體的材料設(shè)為莫爾-庫(kù)倫彈塑性模型。根據(jù)路面結(jié)構(gòu)材料的特性和既有道路的地質(zhì)勘查資料,不同路面(自上到下)結(jié)構(gòu)和地層材料物理力學(xué)參數(shù)如表1,表2所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表2 土層劃分及參數(shù)

2.3 地應(yīng)力平衡

既有道路及土體在自重作用下發(fā)生固結(jié)沉降,固結(jié)沉降完成后方可開始車站施工。為了模擬在自重作用下完成固結(jié)沉降的原狀土,有必要在模型中建立初始自重應(yīng)力場(chǎng),作為后續(xù)施工步驟的初始狀態(tài)。在該模型中,將重力荷載施加到土體上,計(jì)算重力荷載下的應(yīng)力場(chǎng),然后將獲得的應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng),與重力荷載一起應(yīng)用到有限元模型中。模型的側(cè)面和底部是位移邊界,側(cè)面限制水平移動(dòng),底部限制垂直位移,上邊界是自由表面。

3 安全性分析

3.1 沉降量計(jì)算

地鐵施工引起圍巖的應(yīng)力重分布,而地層的變形又引起路面的下沉,使路面結(jié)構(gòu)層承受拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于各結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力時(shí),路面結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)裂縫,從而對(duì)既有道路安全性造成影響。因此,既有道路路面的沉降量(豎向位移)是道路性能的控制指標(biāo)。表3為車站不同施工階段計(jì)算得到的路面沉降量,圖2為不同車站結(jié)構(gòu)施工引起的既有道路路面和擋墻的沉降云圖。

表3 不同施工階段沉降統(tǒng)計(jì)表

由表3，圖2可知,車站施工下穿既有道路,對(duì)正上方道路的沉降變形產(chǎn)生了顯著的影響。在考慮施工地下降水對(duì)道路沉降影響的前提下,道路的最大沉降約13.3 mm,擋墻的最大沉降量為12.3 mm。車站施工對(duì)既有道路沉降影響較大,車站施工中應(yīng)控制開挖步序,提高注漿效果,從而保證施工的安全與道路的穩(wěn)定。

3.2 道路變形指標(biāo)

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知,車站施工能夠引起既有道路的沉降。當(dāng)?shù)缆方Y(jié)構(gòu)沉降達(dá)到一定變形值時(shí),會(huì)對(duì)路基穩(wěn)定性和行車舒適性產(chǎn)生不利影響,從而危及道路交通運(yùn)行安全。因此,在穿越工程施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制道路結(jié)構(gòu)的變形。本研究綜合道路、地下管線的運(yùn)營(yíng)安全要求(DB11/T 716—2019)及實(shí)時(shí)道路變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將該車站施工期間穿越既有道路產(chǎn)生變形的指標(biāo)設(shè)定為:

1)地鐵施工影響范圍內(nèi)的道路路面沉降最大值為15 mm,沉降速率最大值為2 mm/d。

2)地鐵施工影響范圍內(nèi)道路路面隆起最大值為5 mm。

3)地鐵施工影響范圍內(nèi)道路差異沉降最大值為5 mm/5 m。

4)地鐵施工影響范圍內(nèi)道路擋墻沉降最大值為10 mm。

5)為了防止積水滲透對(duì)路基強(qiáng)度的劣化,路面禁止存在結(jié)構(gòu)性裂縫。

6)為了防止路面積水對(duì)路基的影響,路面沉降區(qū)域內(nèi)禁止長(zhǎng)時(shí)間存在積水。

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3.3 變形預(yù)警設(shè)置

為了能夠在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中對(duì)既有道路的沉降進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警,本研究將F值定義為車站施工時(shí)的預(yù)警指標(biāo),F表達(dá)式為式(1):

(1)

(2)

根據(jù)F值大小將監(jiān)測(cè)預(yù)警確定為三個(gè)級(jí)別:黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色預(yù)警,不同預(yù)警條件及預(yù)警響應(yīng)如表4所示。

表4 監(jiān)測(cè)預(yù)警條件及預(yù)警響應(yīng)表

4 建議及對(duì)策

根據(jù)對(duì)車站施工影響范圍內(nèi)的道路結(jié)構(gòu)安全性分析,地鐵車站施工會(huì)對(duì)既有道路產(chǎn)生一定的沉降變形。地鐵工程下穿既有道路施工過(guò)程中,需要采取一定的監(jiān)測(cè)和道路防護(hù)措施,保證車站施工和道路運(yùn)行安全。

1)地鐵工程施工前應(yīng)進(jìn)一步對(duì)既有道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),查明既有道路路面、擋土墻等結(jié)構(gòu)狀況。充分考慮穿越項(xiàng)目引發(fā)道路沉降對(duì)道路結(jié)構(gòu)造成的損壞,若出現(xiàn)損壞應(yīng)在沉降穩(wěn)定后及時(shí)修復(fù)。

2)施工過(guò)程中,應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范及管理部門要求,對(duì)道路的沉降(隆起)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并記錄道路的縱、橫向高程。監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)深入路基土內(nèi),以保證反映路基的沉降情況。

3)為了準(zhǔn)確評(píng)估地鐵施工對(duì)既有道路的影響程度,需要對(duì)已經(jīng)竣工的工程繼續(xù)監(jiān)測(cè),直到沉降值不再增加或者趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)完成后,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)既有道路的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估,并且給出處理意見。

4)工程實(shí)施前,需制定完善的施工方案及應(yīng)急預(yù)案,嚴(yán)格按照安全規(guī)程進(jìn)行施工,遇突發(fā)事件時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案。

5 結(jié)論

隨著城市地鐵建設(shè)的日益發(fā)展,地鐵工程的延伸必然會(huì)下穿既有道路,并且地鐵工程的施工會(huì)對(duì)既有道路造成影響。本文通過(guò)對(duì)既有道路的現(xiàn)場(chǎng)踏勘,結(jié)合地鐵工程的施工工藝進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)不同施工階段中的不同既有道路結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行計(jì)算,得到了以下結(jié)論:

1)地鐵工程下穿既有道路的施工過(guò)程對(duì)既有道路的沉降變形產(chǎn)生顯著影響。在考慮施工地下降水對(duì)道路沉降影響的前提下,道路的累積沉降量為13.3 mm,擋墻的累積沉降量為12.3 mm。

2)在保證地鐵工程施工要求的前提下,對(duì)既有道路變形指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)定,并且根據(jù)實(shí)測(cè)變形值和允許變形指標(biāo)的關(guān)系確定了監(jiān)測(cè)預(yù)警值,對(duì)應(yīng)不同的預(yù)警條件提出了不同的預(yù)警響應(yīng)。

3)為確保既有道路變形值在允許范圍內(nèi),提出了地鐵車站施工過(guò)程中的建議和對(duì)策,從而保證施工正常進(jìn)行與道路運(yùn)營(yíng)安全。