地鐵暗挖隧道密貼下穿污水箱涵變形特征研究

張麗麗， 張旭， 成鶴， 許有俊,3,4

(1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100048； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 包頭 014010； 3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦山安全與地下工程院士工作站， 包頭 014010； 4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)高校城市地下工程技術(shù)研究中心， 包頭 014010)

近年來，隨著城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，呼和浩特市也進(jìn)入城市軌道交通發(fā)展的快車道。在城市密集區(qū)修建地鐵隧道時(shí)，傳統(tǒng)的施工需要中斷道路、管線遷改等措施，易引起城市交通堵塞、影響居民生活等問題。因此，采用暗挖法施工成為首要選擇。隨著城市地下交通網(wǎng)越來越密集，會(huì)出現(xiàn)近距離甚至密貼下穿既有地下管線或箱涵情況，其中市政箱涵的斷面尺寸較大，受到施工環(huán)境的影響最大，尤其是在箱涵中不確定污水流量時(shí)施工，極易產(chǎn)生過度的擾動(dòng)，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)的損傷[1-2]。因此，暗挖隧道下穿施工必須采取合理的工法及預(yù)加固和保護(hù)措施,以降低工程風(fēng)險(xiǎn)及社會(huì)影響。

目前，中外學(xué)者針對(duì)暗挖隧道施工對(duì)鄰近地下管線的影響已經(jīng)取得一定的成果。Liang等[3]將現(xiàn)有地下管道或隧道簡(jiǎn)化為彈性無限歐拉—伯努利梁，提出了一種半解析方法。Zhang等[4]提出了一種云模型(cloud model，CM)的方法，其中包含隧道環(huán)境中現(xiàn)有管道的分步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程，基于隧道誘發(fā)管道破壞機(jī)理分析，建立了多層次、多屬性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。Wang等[5]進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了漏水情況下隧道施工對(duì)現(xiàn)有管道的影響，并建立了管道位移與地表沉降的關(guān)系。Huang等[6]基于Winkler模型提出了一種基于改進(jìn)Winkler模量的Winkler解，分析隧道開挖引起的管道的變形規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和離心試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的適用性。張學(xué)進(jìn)[7]依托杭州市紫之隧道下穿地下管線工程，研究在淤泥質(zhì)地層中間距、穿越夾角等因素對(duì)管線變形的影響。向衛(wèi)國(guó)等[8]針對(duì)不同埋深的地下管線進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了地表與管線沉降槽曲線的關(guān)系，確定了管線沉降分布擬合公式。王婉婷等[9]依托北京地鐵8號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿地下熱力管線和污水管線工程，計(jì)算得到了土層以及管線的變形規(guī)律。陳懷慶[10]以沈陽(yáng)地鐵青年大街站近距離下穿污水管線工程為依托，提出了管線懸吊、控制施工沉降、超前地層加固等保護(hù)技術(shù)。王春梅等[11]將地下管線視為連續(xù)長(zhǎng)梁，得到了隧道下穿引起地下管線豎向位移計(jì)算式。吳為義等[12]基于彈性地基梁理論，分析深圳某地鐵盾構(gòu)隧道下穿地下電纜管線的變形規(guī)律，得到彈性地基梁發(fā)可用于估算管線的最大變形。王正興等[13]利用室內(nèi)管線加載-擾度試驗(yàn)建立了管線宏觀與細(xì)觀參數(shù)之間的關(guān)系，并采用PFC2D建立隧道-土體-管線的模型，得到了砂土中隧道垂直下穿地下管線的變形規(guī)律。目前，關(guān)于暗挖隧道下穿地下管線的研究多集中在盾構(gòu)法下穿圓形斷面的地下管線，而針對(duì)淺埋暗挖隧道下穿矩形斷面箱涵的研究較少，尤其是關(guān)于污水箱涵的研究，大多沒有考慮污水箱涵內(nèi)部的污水重度，并且在污水流量不同的情況下，暗挖隧道下穿施工期間箱涵結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律仍不明確。

為此，以呼和浩特市地鐵2號(hào)線大學(xué)西街站1號(hào)出入口暗挖隧道為背景，采用Midas GTS NX模擬分析不同污水流量條件暗挖隧道下穿施工引起的既有市政箱涵結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)場(chǎng)沉降控制方案的可行性，采用Peck公式分析箱涵橫斷面沉降槽曲線規(guī)律，確定在暗挖隧道下穿施工時(shí)箱涵結(jié)構(gòu)變形主要影響區(qū)域范圍。研究成果可為呼和浩特市地鐵暗挖隧道下穿管線工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

呼和浩特市地鐵大學(xué)西街站位于大學(xué)西街與錫林郭勒南路的交叉路口，沿錫林郭勒南路東南向西北方布置。大學(xué)西街站地鐵車站總長(zhǎng)218.2 m，包括車站主體結(jié)構(gòu)、4個(gè)出入口通道(其中2個(gè)暗挖通道)以及2個(gè)風(fēng)道，其中1號(hào)出入口為地下單層框架結(jié)構(gòu)型式，分為明挖基坑和暗挖隧道，暗挖段采用淺埋暗挖法施工，總長(zhǎng)為23.15 m，分為標(biāo)準(zhǔn)段和擴(kuò)大段，如圖1所示。

斷面A-A為暗挖隧道與地鐵車站接觸面圖1 工程平面及縱斷面圖Fig.1 Plan view and profile diagram of project

標(biāo)準(zhǔn)段為僅滿足正常通行需求的隧道段，擴(kuò)大段除滿足通行需求外還應(yīng)滿足戰(zhàn)時(shí)功能的要求的隧道段，因此擴(kuò)大段斷面面積一般大于標(biāo)準(zhǔn)段。本工程的標(biāo)準(zhǔn)段隧道開挖寬度為7.26 m，開挖高度為5.4 m；擴(kuò)大段開挖寬度為9.26 m，開挖高度為5.7 m，如圖2所示。暗挖隧道頂部覆土厚度為3.76～4.16 m。

圖2 擴(kuò)大段隧道橫斷面Fig.2 Cross-section of the larger tunnel

本工程的地下施工范圍內(nèi)，存在10余條地下管線，其中市政箱涵風(fēng)險(xiǎn)最高。市政箱涵由鋼筋混凝土材料制成，屬于兩孔箱涵結(jié)構(gòu)，由電力箱涵與污水箱涵相連組成。箱涵的單孔內(nèi)徑均為高2.0 m，寬1.8 m，外包設(shè)計(jì)尺寸為高2.5 m，寬4.35 m。箱涵與標(biāo)準(zhǔn)段隧道的垂直距離僅為0.276 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

暗挖段所在區(qū)域?qū)儆谏角皼_洪積扇傾斜平原區(qū)，地下水以第四系潛水為主，地下水位高程介于1 040.30～1 042.83 m，含水層厚度10～14 m，總體流向?yàn)閺臇|北流向西南。1號(hào)出入口暗挖段開挖部分主要為細(xì)砂和圓礫層，基底位于礫砂層。土體結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)能力差，遇水易軟化。典型地質(zhì)剖面如圖3所示。

某些部位同時(shí)標(biāo)記出距離地表的距離和高程，兩者之間采用“/”，如“2.40/1 046.90”表示該部位距離地表距離為2.40 m，高程為1 046.90 m圖3 典型地質(zhì)剖面圖Fig.3 Typical geological profile of the project

1.3 施工方案

由于施工區(qū)內(nèi)地下水位高于結(jié)構(gòu)底板，水量豐富。因此需要在施工之前進(jìn)行降水作業(yè)。施工區(qū)域?yàn)槌鞘兄鞲傻?，地面交通量較大，且地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)的井點(diǎn)降水無法實(shí)施，故施工前期采用洞內(nèi)真空降水的方式，使開挖面處于無水狀態(tài)。在降水之后，暗挖隧道采用深孔注漿和超前小導(dǎo)管注漿相結(jié)合的方式形成完整的堵水帷幕以及土體注漿加固區(qū)，在加固隧道軟弱地層后進(jìn)行開挖施工。深孔注漿范圍為隧道開挖面周圍3 m，每次注漿長(zhǎng)度為10 m，第三次注漿的注漿管角度因?yàn)樯戏郊扔泄芫€的存在調(diào)整為10°，如圖4所示。

圖4 深孔注漿示意圖Fig.4 Diagram of the deep hole grouting

采用超前小導(dǎo)管注漿加固時(shí)，當(dāng)隧道上方?jīng)]有箱涵時(shí)，采用長(zhǎng)度2 m的小導(dǎo)管，外插角度為25°；反之，采用長(zhǎng)度1.5 m的小導(dǎo)管，外插角為15°。暗挖隧道采用交叉中隔壁法(center cross diagram，CRD)，如圖2所示。為了減少土體的暴露時(shí)間，1、3號(hào)導(dǎo)洞施工時(shí)，均采用臺(tái)階法開挖；2、4號(hào)導(dǎo)洞采用全斷面法開挖。臺(tái)階法開挖1，3導(dǎo)洞時(shí)，采用環(huán)形開挖，預(yù)留核心土的方案，每個(gè)導(dǎo)洞上、下臺(tái)階的開挖步長(zhǎng)小于3 m。在上臺(tái)階開挖完成后，立即掛鋼筋網(wǎng)，架立拱部、側(cè)墻、中隔墻格柵鋼架，打設(shè)鎖腳錨桿，噴射混凝土。開挖預(yù)留核心土體的部分，施做臨時(shí)仰拱，使隧道盡快封閉成環(huán)。隧道左半部分的1、2號(hào)導(dǎo)洞沿著開挖方向的步距間隔10 m，隧道左半部分的各導(dǎo)洞開挖貫通后，在進(jìn)行隧道的右半部分導(dǎo)洞施工開挖。拆除所有臨時(shí)支護(hù)后，敷設(shè)防水層，然后施作二襯。暗挖隧道復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)、防水板和二次襯砌組成。在隧道施工期間，在拱部以及邊墻布置注漿管，要多次進(jìn)行回填注漿，填充初支與周圍土體之間的空隙。

1.4 監(jiān)測(cè)方案

暗挖隧道在施工期間會(huì)對(duì)市政箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行擾動(dòng)，需要在施工期間對(duì)暗挖隧道和市政箱涵進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)測(cè)量，根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)以及加固方案。通過人工監(jiān)測(cè)記錄隧道和箱涵變形情況，如圖5所示。在箱涵外壁以及隧道初支鋼格柵安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)箱涵進(jìn)行了位移監(jiān)測(cè)以及監(jiān)測(cè)隧道的拱頂沉降值和凈空收斂值。監(jiān)測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀和測(cè)距儀，讀數(shù)每天采集兩次。既有箱涵的監(jiān)測(cè)點(diǎn)用B表示，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離間隔為3～5 m。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，日本淺埋隧道鄰近管道施工的相關(guān)規(guī)范中指出，隧道施工時(shí)污水管線的沉降控制值為20 mm。市政箱涵豎向位移的正、負(fù)值分別代表隆起和沉降。

B1～B5為箱涵監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Layout of the monitoring points

2 箱涵變形預(yù)測(cè)

2.1 模型建立

圖6 三維數(shù)值模型Fig.6 Three-dimensional numerical model

應(yīng)用MIDAS GTS NX進(jìn)行三維建模分析，建立計(jì)算模型長(zhǎng)、寬、高分別為50 m×50 m×35 m，共包含145 600個(gè)節(jié)點(diǎn)和130 000個(gè)單元，如圖6所示。模型除地表為自由面外，模型前后左右采用法向約束，底部采用固定約束。與摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)型相比，采用修正摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，可以考慮土體的壓縮硬化和剪切硬化行為，更好的模擬土體卸荷作用[14]。綜合考慮地勘報(bào)告資料，將地層簡(jiǎn)化為成層分布，確定各土層的力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

本次模擬重點(diǎn)研究既有結(jié)構(gòu)的整體變形特征，不考慮細(xì)部接頭問題。土體、注漿區(qū)以及二次襯砌均采用實(shí)體單元，初期支護(hù)，中隔壁以及箱涵管壁均為板單元。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)[15]、現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料確定隧道初期支護(hù)、二次襯砌和箱涵結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)。注漿加固區(qū)通過改變地層屬性的方法來實(shí)現(xiàn)[16]。參考相似的北京地區(qū)暗挖隧道工程案例[17-18]確定注漿加固區(qū)的地層參數(shù)。模型參數(shù)如表2所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical properties of surrounding rock

表2 模型計(jì)算參數(shù)Table 2 Numerical parameters of the model

2.2 數(shù)值模擬方案

暗挖隧道采用CRD法開挖，具體施工步序按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程：先對(duì)開挖面進(jìn)行降水處理，再進(jìn)行超前支護(hù)措施，1號(hào)、2號(hào)導(dǎo)洞開挖進(jìn)尺為10 m，在隧道左半部分的導(dǎo)洞全部封閉成環(huán)后在開挖3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)洞。所有導(dǎo)洞開挖且支護(hù)完成后，施作二次襯砌。開挖面降水時(shí)，設(shè)定整體地下水位處于恒定狀態(tài)，只在地下水位處設(shè)置總水頭的邊界條件，在開挖面周圍設(shè)置壓力水頭位0的邊界條件，模擬施工降水過程。

老砍頭到了寢宮，太監(jiān)、宮女早被打發(fā)走了，沒進(jìn)大門呢，老砍頭就聽見皇上在自言自語(yǔ)：“我也想通了，實(shí)在不行，我就投降，能封個(gè)安樂公，就心滿意足了?！?/p>

污水箱涵內(nèi)的污水荷載通過均布荷載代替，通過查閱參考文獻(xiàn)，可知半年內(nèi)呼和浩特市不同區(qū)域內(nèi)城市污水中主要污染物約為0.716 mg/L[19]，確定城市污水重度大約等同于水的重度為10 kN/m3?？紤]到污水箱涵內(nèi)的污水量不是恒定的，會(huì)因人為等因素發(fā)生改變，不同流量下結(jié)構(gòu)受力也不相同。因此將污水流量等效為不同均布荷載，研究不同污水荷載下隧道施工對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)變形的影響。共設(shè)計(jì)5組數(shù)值模擬計(jì)算，具體模擬方案如表3所示。

表3 數(shù)值方案Table 3 Numerical schemes

2.3 數(shù)值結(jié)果分析

為了研究新建暗挖隧道施工時(shí)不同污水荷載下箱涵結(jié)構(gòu)變形特征，通過只改變箱涵中的污水流量進(jìn)行數(shù)值模擬。從箱涵的頂板(1～5號(hào)測(cè)線)、側(cè)壁(6～8號(hào)測(cè)線)以及底板(9～13號(hào)測(cè)線)共布置13條測(cè)線，箱涵具體測(cè)線布置如圖7所示。

圖7 箱涵測(cè)線布置Fig.7 Layout of monitoring lines on the box culvert

對(duì)比不同工況下箱涵的沉降值得到，其余工況的箱涵的沉降值均在P=0和P=25 kN/m2(P為污水載荷)，且變化規(guī)律基本相同，因此只繪制P=0和P=25 kN/m2兩組工況的豎向位移云圖進(jìn)行比較，如圖8所示。

暗挖隧道開挖完成后，箱涵的最大沉降區(qū)域集中在暗挖隧道軸線正上方，箱涵沉降分布呈現(xiàn)由中心向兩端遞減的規(guī)律。在箱涵內(nèi)沒有污水流動(dòng)時(shí)，施工擾動(dòng)使得箱涵左側(cè)的污水箱涵和右側(cè)的電力箱涵產(chǎn)生輕微的不均勻沉降，施工先穿越的污水箱涵沉降值大于后穿越的電力箱涵；隨著污水量的增加，箱涵的左側(cè)洞室沉降值大于右側(cè)洞室的現(xiàn)象更加明顯，箱涵的頂板、側(cè)壁以及底板與無污水狀態(tài)下箱涵的沉降變形規(guī)律基本相同，但沉降值逐漸增加。

9號(hào)測(cè)線的豎向位移最大，不同污水荷載條件下9號(hào)測(cè)線的豎向位移，如圖9所示。不同污水流量的箱涵沉降曲線規(guī)律基本相同，近似呈正態(tài)分布。當(dāng)污水荷載P=0時(shí)，由于下部暗挖隧道的施工擾動(dòng)，箱涵的中心區(qū)域出現(xiàn)沉降，但在兩側(cè)區(qū)域施工擾動(dòng)較小，且在兩側(cè)存在注漿加固區(qū)，因此兩側(cè)出現(xiàn)輕微隆起現(xiàn)象。箱涵中污水流量的變化對(duì)箱涵沉降有顯著影響。隨著污水荷載的增加，曲線呈現(xiàn)整體沉降現(xiàn)象箱涵的最大沉降值逐漸增大，從14.98 mm增加到26.32 mm，增加了11.34 mm。不同工況的沉降最大值均靠近隧道的左半部分導(dǎo)洞的中心處。沉降槽的拐點(diǎn)位置大致相同，距離隧道中軸線7～10 m。

污水荷載P與箱涵的最大沉降值Smax呈線性關(guān)系，校正決定系數(shù)R2為0.99，如圖10所示。污水箱涵內(nèi)的污水量最小為無污水狀態(tài)，最大為滿管狀態(tài)。因此，可以確定污水荷載的最大和最小值，0≤P≤25 kN/m2。通過擬合公式可知，當(dāng)箱涵最大沉降值為20 mm時(shí)，污水荷載應(yīng)為9.18 kN/m2，對(duì)應(yīng)箱涵內(nèi)的污水高度應(yīng)為0.745 m。因此當(dāng)箱涵內(nèi)污水高度小于0.745 m時(shí)，能確保在隧道施工時(shí)箱涵沉降在控制值范圍之內(nèi)。

圖8 箱涵豎向位移Fig.8 Vertical displacement nephogram of the box culvert

圖9 箱涵9號(hào)測(cè)線豎向位移Fig.9 Vertical displacement of monitoring line 9 on the box culvert

圖10 P和Smax的關(guān)系曲線Fig.10 Curve of the relationship between P and Smax

3 箱涵變形規(guī)律分析

3.1 箱涵變形實(shí)測(cè)分析

暗挖隧道下穿既有箱涵的過程中，市政箱涵的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線如圖11所示。

階段1～階段4表示導(dǎo)洞1～4分別開挖到貫通的全過程；階段5 表示二次襯砌封閉成環(huán)；階段6表示拆除隧道中隔壁的過程圖11 箱涵沉降歷時(shí)曲線Fig.11 Development of the settlement of the box culvert

受隧道施工影響最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為位于1號(hào)導(dǎo)洞正上方的B2和B3，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)受影響相對(duì)較小。2020年3月13日—2020年4月1日，1號(hào)導(dǎo)洞開挖至7 m，市政箱涵沉降值變化較小，此時(shí)段降水以及開挖施工由于距離箱涵較遠(yuǎn)對(duì)箱涵影響較小。隨著隧道繼續(xù)降水開挖，箱涵開始迅速沉降，B3發(fā)生最大沉降約為16.86 mm，可以判斷出在離箱涵的縱向間距約13 m范圍內(nèi)進(jìn)行降水以及開挖施工對(duì)箱涵擾動(dòng)較大，階段1內(nèi)的沉降值約為總沉降值的70%～75%，是沉降的主要階段。到2020年4月13號(hào)1號(hào)導(dǎo)洞開挖至18 m，即將穿越箱涵。2020年4月25日開挖至23.15 m，1號(hào)導(dǎo)洞貫通。施工12 d，共挖5.15 m。此階段施工速度緩慢可以使支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)，并通過多次回填注漿，箱涵發(fā)生位移抬升現(xiàn)象。3號(hào)導(dǎo)洞施工之前的降水措施和2號(hào)導(dǎo)洞開挖施工的擾動(dòng)，導(dǎo)致該段又出現(xiàn)沉降趨勢(shì)，隨著2號(hào)導(dǎo)洞的整體初期支護(hù)封閉成環(huán)，曲線再次出現(xiàn)局部抬升現(xiàn)象。2020年5月3日3號(hào)導(dǎo)洞開挖至8 m，進(jìn)入降水以及開挖施工對(duì)箱涵擾動(dòng)較大的區(qū)域內(nèi)，因此引起市政箱涵明顯沉降。階段2，3內(nèi)的沉降值約為總沉降值的5%～10%。4號(hào)導(dǎo)洞于2020年5月13日開挖，2020年5月27日終止，箱涵沉降發(fā)生輕微變化。階段4內(nèi)的沉降值約為總沉降值的5%～10%，2020年5月27號(hào)開始逐漸拆除了中隔壁以及臨時(shí)仰拱，市政箱涵出現(xiàn)輕微波動(dòng)。2020年6月4號(hào)暗挖隧道二次襯砌整體閉合后，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)，最終沉降值為19.57 mm。

圖12 不同施工階段的箱涵沉降槽曲線Fig.12 Settlement profiles of the box culvert associated with construction phases

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)[20]規(guī)定，污水管道因按照非滿管設(shè)計(jì)，管內(nèi)水最大容許充滿度為0.55，通過計(jì)算確定本工程所提的市政箱涵的最大管內(nèi)水高度應(yīng)為1.375 m。在隧道施工期間，箱涵內(nèi)污水流量無特殊情況時(shí)，按照規(guī)范可預(yù)測(cè)得：0≤h<1.375 m(h為管內(nèi)污水高度)。目前通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得箱涵的最大沉降值為19.88 mm，通過數(shù)值模擬可知實(shí)測(cè)值位于數(shù)值模擬第一、三組工況的沉降值之間，如圖13所示。

圖13 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)沉降值的對(duì)比Fig.13 Comparison between the numerical results and monitoring datum

根據(jù)圖13可知，在施工結(jié)束后，當(dāng)污水荷載為0時(shí)，箱涵結(jié)構(gòu)的最大沉降值為18.84 mm；當(dāng)污水荷載為12.5 kN/m2，即污水流量達(dá)到箱涵管徑1/2高度時(shí)，箱涵的最大沉降值為21.33 mm。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中箱涵的最大沉降值為19.88 mm，位于二者之間，因此可以推斷出，實(shí)際施工時(shí)污水流量的高度在箱涵管徑的1/2高度以下。管內(nèi)污水高度在預(yù)測(cè)變形區(qū)范圍內(nèi)，箱涵可以同時(shí)滿足排水設(shè)計(jì)規(guī)范和施工沉降值控制要求。

3.2 箱涵變形特征分析

從箱涵橫斷面沉降槽分布規(guī)律服從高斯分布。通過Peck公式預(yù)測(cè)隧道上方既有結(jié)構(gòu)沉降槽曲線[21]被普遍接受。按照疊加法原理，雙洞平行隧道開挖引起的管線沉降曲線預(yù)測(cè)公式為[21]

(1)

式(1)中：S為管道的最終位移；S1和S2分別為隧道的左半部分、右半部分引起的最大位移，下標(biāo)數(shù)字1和2分別為開挖的左半部分(導(dǎo)洞1和2)和右半部分(導(dǎo)洞3和4)；x為隧道兩側(cè)橫向上距離隧道中心的距離；L為隧道左半部分中心到右半部分中心的間距；A1和A2分別為隧道左半部分以及右半部分導(dǎo)洞開挖部分的橫截面積；V1和V2分別為隧道左半部分以及右半部分導(dǎo)洞開挖引起的地層損失率；i1和i2分別為隧道左半部分以及右半部分的中心線到曲線拐點(diǎn)的間距(沉降槽寬度)，可以通過經(jīng)驗(yàn)公式[22]確定。

i=K(z0-z)

(2)

式(2)中：i為隧道左半部分或者右半部分的中心線到曲線拐點(diǎn)的間距；z0為新建暗挖隧道軸線的深度；z為指定埋深；K為既有市政箱涵沉降槽寬度系數(shù)。

導(dǎo)洞1～4依次開挖引起市政箱涵的沉降槽曲線擬合結(jié)果如表4和圖14所示。將1、2號(hào)導(dǎo)洞看作暗挖隧道的左半部分，對(duì)階段2即由隧道左半部分導(dǎo)洞施工引起的箱涵橫向沉降槽曲線采用單Peck公式進(jìn)行擬合，得到隧道左半部分導(dǎo)洞施工貫通時(shí)箱涵的擬合沉降槽位移曲線。在4號(hào)導(dǎo)洞開挖完成后，將3、4號(hào)導(dǎo)洞看作暗挖隧道的右半部分，對(duì)階段4即由隧道的左半部分導(dǎo)洞和右半部分導(dǎo)洞施工引起的疊加而成的箱涵橫向沉降槽曲線進(jìn)行雙Peck公式進(jìn)行擬合，得到隧道全部導(dǎo)洞貫通時(shí)箱涵的擬合沉降槽位移曲線。對(duì)階段2、4的擬合結(jié)果如圖14所示。校正決定系數(shù)[22]均超過0.9，表明實(shí)測(cè)值較好地吻合Peck公式。

表4 箱涵的沉降槽擬合結(jié)果Table 4 Fitting of settlement profiles of the box culvert

圖14 箱涵沉降槽曲線擬合Fig.14 Fitting of the settlement profile of the box culvert

階段2、階段4的地層損失率范圍為0.08%～0.15%，說明本項(xiàng)目的施工管理以及施工方案較好，地層損失率處于較低水平。韓煊等[23]建議西北黃土地區(qū)天然地層K值取0.22%～6.9%，由于箱涵的“遮擋”效應(yīng)[7]，箱涵的單個(gè)隧道開挖引起現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的主要影響范圍可以由2i1表示，總的槽寬為5i1，雙洞隧道開挖的主要影響范圍為i1+L+i2[24]。2號(hào)導(dǎo)洞貫通時(shí)，箱涵主要影響區(qū)范圍通過2i1計(jì)算，為9.86 m；4號(hào)導(dǎo)洞貫通時(shí)，箱涵的主要影響區(qū)范圍通過i1+L+i2計(jì)算，為16.85 m。相比階段2，階段4的最大沉降值向隧道中心線處偏移，這是由于隧道的左半部分導(dǎo)洞已經(jīng)封閉成環(huán)，而隧道的右半部分導(dǎo)洞施工引起的。暗挖隧道施工時(shí)箱涵的沉降槽寬度取值范圍為6.32～6.9 m，數(shù)值模擬中箱涵主要沉降區(qū)位于箱涵中心左右約隧道直徑的1～1.5倍范圍內(nèi)，這主要是因?yàn)樗淼朗┕て陂g，無法對(duì)箱涵下方的土壤回填灌漿造成的。

4 結(jié)論

(1)污水荷載的變化對(duì)既有箱涵結(jié)構(gòu)沉降影響較大，箱涵內(nèi)充滿污水時(shí)最大沉降值是箱涵內(nèi)沒有污水時(shí)的1.75倍。在不同污水荷載下，箱涵結(jié)構(gòu)的最大沉降均位于導(dǎo)洞1的正上方處，由此處向兩端遞減。

(2)箱涵內(nèi)污水荷載與箱涵結(jié)構(gòu)沉降近似線性關(guān)系，當(dāng)污水高度處于在箱涵管徑的0.754 m高度(即污水荷載應(yīng)為9.18 kN/m2)以下時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)施工的條件下既有箱涵結(jié)構(gòu)沉降能夠滿足在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(3)在距離箱涵的間距約13 m范圍內(nèi)進(jìn)行降水以及開挖施工對(duì)箱涵擾動(dòng)較大，最大沉降值為16.86 mm，占總沉降值的70%～75%。采用疊加法修正Peck公式能夠描述下穿段箱涵結(jié)構(gòu)沉降曲線，沉降曲線最終呈“U”形。

(4)在施作隧道二次襯砌期間，通過及時(shí)封閉支護(hù)體系以及回填注漿等措施，使箱涵的最終沉降量為19.57 mm，小于變形控制標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)所采用的施工方案能夠有效保證箱涵結(jié)構(gòu)安全。