區(qū)間隧道上方池塘開挖恢復(fù)方案研究

濮成強 王柳善 王 安

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 311122）

0 引言

隨著城市化推進，越來越多的城市采用以地鐵為骨干的公共交通系統(tǒng)。同時，城市用地緊張、環(huán)保力度提升、防洪排澇工作加強，地鐵工程常面臨河道鄰近開挖的情形，特別是區(qū)間隧道，一般由管片拼裝而成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受地層穩(wěn)定性影響較大，變形控制要求較高。

紹興、寧波等水鄉(xiāng)城市，廣泛分布深厚淤泥質(zhì)軟土，具有強度低、壓縮性高、觸變性高等特點，河道施工對土層的擾動會打破隧道原有的平衡狀態(tài)，產(chǎn)生新的附加荷載，致使隧道不斷發(fā)生位移和變形，嚴(yán)重時威脅隧道結(jié)構(gòu)安全。目前，相關(guān)研究主要集中在基坑工程，基于理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等方面進行研究，少見深厚淤泥質(zhì)軟土地層的區(qū)間隧道上方的河道開挖。本文將依托紹興地鐵2 號線一期工程某池塘開挖工程實例，借助Plaxis3D 軟件建立三維有限元模型進行分析，比選不同方案下區(qū)間隧道的變形影響。

1 工程概況

紹興地鐵2 號線一期工程長約10.7km，沿洋江路敷設(shè)，區(qū)間隧道在袍中路交叉口西側(cè)下穿直江，直江東岸浙江汽車儀表公司地塊內(nèi)有一池塘，與直江連通，即為本文研究工程。袍中路站距離池塘僅14m，端頭加固和管線遷改場地不足，所以車站開挖前需對池塘進行回填，回填后場坪高程+7m。直江寬92m，河底高程約+2m，池塘形狀不規(guī)則，最大長、寬均為50m，底高程為+2.5m ～+5.0m，坡度1：20，區(qū)間隧道為雙線，內(nèi)徑5.9m，外徑6.7m，池塘下方頂高程為-5.8m ～-4.8m，與池塘底豎向凈距為8.3m ～9.8m，如圖1 和圖2 所示。由于池塘隸屬于浙江汽車儀表公司，后期需開挖恢復(fù)，而管線回遷至袍中路站頂板上方的時間較晚，池塘開挖恢復(fù)時間晚于區(qū)間隧道洞通時間，為此，需對池塘的開挖恢復(fù)方案進行重點研究，以降低對區(qū)間隧道的影響。

圖1 池塘周邊環(huán)境平面圖

圖2 區(qū)間隧道與池塘剖面關(guān)系圖

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程》（DB133/T1139-2017）條文3.0.6 和附錄A、附錄B、附錄C[1]，本工程中區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全狀況屬于IV 類，卸荷比計算值為0.58 ～0.27，大于0.15，保護等級為A 級，池塘開挖時隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值主要為水平位移小于20mm、豎向位移小于20mm。

場地土自上而下依次為①2 素填土、③1-2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④2 粉質(zhì)黏土，區(qū)間隧道主要位于深厚的③1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

2 直接開挖的影響研究

按照原工籌方案，管線回遷至袍中路站上方后開挖池塘恢復(fù)，此時區(qū)間隧道已洞通，屬于區(qū)間隧道上方直接開挖卸載，為此，建立模型分析直接開挖的影響。

2.1 模型建立

數(shù)值分析軟件能夠模擬實際工程中土體、結(jié)構(gòu)的性質(zhì)以及施工過程，對比優(yōu)化設(shè)計方案，預(yù)判施工風(fēng)險，是解決巖土工程問題的有效手段。本文借助Plaxis3D有限元分析軟件，建立三維模型，對池塘開挖施工的影響進行分析，如圖3 所示，模型尺寸長×寬×高=300m×300m×50m，側(cè)面邊界限制垂向位移，底面邊界同時限制水平位移及垂向位移，頂面邊界不限制位移。

圖3 計算模型圖

2.2 本構(gòu)模型及參數(shù)

應(yīng)變增加土體剛度衰減較快，即小應(yīng)變特性，HSS 模型考慮小應(yīng)變特性能更好地評估開挖卸載下的土體變形，為此選用HSS 模型作為土體本構(gòu)模型[2]。土體參數(shù)選取地勘報告建議值，其余參數(shù)結(jié)合時振興[3]、陸瑤[4]、劉蓉[5]等建議的方法計算確定，如表2 所示。隧道管片采用板單元模擬，松木樁采用嵌入式梁單元模擬，均采用線彈性模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3 所示。

表2 地層參數(shù)表

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.3 模擬工況

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)[6]以及池塘與區(qū)間隧道的空間關(guān)系，區(qū)間隧道正上方為重點影響區(qū)域，細分為8 個小區(qū)塊，旁側(cè)20m范圍內(nèi)為次要影響區(qū)域，細分為21 個小區(qū)塊，20m 以外為非影響區(qū)域[7]，如圖4 所示。池塘開挖步序如表4 所示。

圖4 池塘開挖區(qū)塊圖

表4 池塘開挖步序表

2.4 分析結(jié)果

池塘直接開挖后，左線隧道最大豎向位移39.8mm，最大水平位移4mm，右線隧道最大豎向位移14.7mm，最大水平位移7.2mm。部分指標(biāo)超過控制值20mm，不滿足要求，需采取措施控制對區(qū)間隧道變形的影響。

3 池塘開挖恢復(fù)方案研究

3.1 方案一：提前地基加固

由前述可知，區(qū)間隧道與池塘底豎向凈距為8.3 ～9.8m，大于1 倍洞徑，滿足抗浮要求，但卸荷比為0.58 ～0.27，卸荷比較大，為控制池塘開挖對區(qū)間隧道變形的影響，提前對隧道上方土體進行加固，待區(qū)間隧道洞通、管線回遷至車站上方后，池塘開挖恢復(fù)。

土體加固采用Φ850@600 三軸攪拌樁，弱加固區(qū)水泥摻量8%，強加固區(qū)水泥摻量25%，單軸抗壓強度大于1MPa，長度范圍為池塘正下方區(qū)間隧道段，寬度范圍為左線隧道北側(cè)3m 至洋江路2 號橋邊，深度范圍為地面至底標(biāo)高-1m 處，其中強加固厚度3m，如圖5 所示。

圖5 地基加固方案圖

經(jīng)模擬計算，該方案下左線隧道最大豎向位移14.5mm，最大水平位移3.2mm，右線隧道最大豎向位移7mm，最大水平位移4.9mm，均小于控制值20mm，滿足要求。

3.2 方案二：管線懸吊保護

由圖1 可知，主要有3 根管線位于池塘回填區(qū)域，分別是DN100 通信管、DN150 10kV 電力管、DN600 熱力管，埋深均為1.5m（所在位置池塘開挖深度2.5m，區(qū)間隧道距池塘底9.5m），其中通信管、電力管為柔性管線，熱力管為剛性管線。為此，方案二考慮對管線進行懸吊保護，提前開挖恢復(fù)池塘后區(qū)間盾構(gòu)下穿，最后回遷管線至車站上方，避免池塘開挖對區(qū)間隧道的影響。

懸吊部件由梁體、懸吊與下部結(jié)構(gòu)組成，下部結(jié)構(gòu)采用松木樁，將梁體搭接在松木樁間，管線置于槽鋼上，再通過懸吊件將槽鋼吊起，實現(xiàn)懸吊保護。剛性管線可采用貝雷梁＋螺桿托架懸吊保護，柔性管線可采用工字鋼＋螺桿托架懸吊保護[8]，如圖6 所示。

圖6 管線懸吊方案示意圖

3.3 方案三：分區(qū)開挖

由圖1 可知，遷改管線僅局部侵入池塘。為此，方案三考慮對池塘進行分區(qū)開挖，先行開挖體量較大的西區(qū)，待區(qū)間隧道洞通、管線回遷至車站上方后再開挖恢復(fù)東區(qū)，如圖7 所示，采用1 排10cm 粗、9m 長的松木樁密打分隔西區(qū)和東區(qū)，場坪標(biāo)高+7m，池塘底坡度1：20，西區(qū)開挖深度為4.5m ～2.7m，東區(qū)開挖深度為2.7m ～2m。

圖7 池塘分區(qū)開挖方案圖

經(jīng)模擬計算，該方案下左線隧道最大豎向位移11.4mm，最大水平位移1.6mm，右線隧道最大豎向位移4.5mm，最大水平位移2.4mm，均小于控制值20mm，滿足要求。

3.4 方案比選

對上述方案的對比分析如表5 所示，考慮到方案一工程造價增加較大，方案二可能影響工程進度，而方案三工程造價變化較小，對區(qū)間隧道的影響可控，為此，本工程推薦方案三。截至2022 年11 月底，池塘順利開挖恢復(fù)，區(qū)間隧道洞通，且實際位移值與預(yù)測值基本一致，驗證了方案有效性和數(shù)值模型可靠性。

表5 方案比選表

4 結(jié)語

本文依托紹興某池塘開挖工程，建立有限元模型，研究了深厚淤泥質(zhì)軟土地質(zhì)條件下上方開挖卸載對區(qū)間隧道的影響，得出結(jié)論如下。

（1）按照原方案，池塘直接開挖時，區(qū)間隧道豎向位移超過控制值20mm，不滿足規(guī)范要求，需采取措施加強對區(qū)間隧道的保護。

（2）結(jié)合工程特點，提前地基加固、管線懸吊保護、分區(qū)開挖等方案均可有效保護區(qū)間隧道，其中分區(qū)開挖方案三最優(yōu)。另外，分塊開挖、配重反壓等措施也有利于控制區(qū)間隧道變形。

（3）池塘開挖恢復(fù)后，區(qū)間隧道實際位移值與預(yù)測值基本一致，驗證了方案有效性和數(shù)值模型可靠性。