地下通道超近距上跨城市軌道交通隧道 結(jié)構(gòu)施工影響分析*

黃 松

(貴陽(yáng)市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司,550081,貴陽(yáng)∥高級(jí)工程師)

0 引 言

隨著我國(guó)城市軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展,地鐵運(yùn)營(yíng)線路不斷增加,城市軌道交通線路沿線的施工作業(yè)項(xiàng)目也越來(lái)越多。我國(guó)出臺(tái)了相關(guān)城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)的安全管理要求,加強(qiáng)對(duì)城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)內(nèi)可能影響城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)施安全和運(yùn)營(yíng)安全的各類施工作業(yè)行為的管理。

目前,我國(guó)較多城市均采用加強(qiáng)外部施工項(xiàng)目技術(shù)審查和監(jiān)管的方法,通過(guò)監(jiān)測(cè)、巡查、預(yù)警、監(jiān)控等技術(shù)手段,全面掌控城市軌道交通設(shè)施的安全狀態(tài),對(duì)鄰近既有地鐵施工影響進(jìn)行分析[1-2]。

為避免軌道交通設(shè)施受損,通過(guò)建立較為完善的城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)安全管理制度,及時(shí)發(fā)現(xiàn)城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)內(nèi)未辦理審查手續(xù)或未按照已審批保護(hù)方案實(shí)施的違法、違規(guī)施工作業(yè)行為。

本文以貴陽(yáng)市某新建地下過(guò)街通道近距離上跨貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線和4號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“1號(hào)線”“4號(hào)線”)施工項(xiàng)目為例,結(jié)合既有軌道交通結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn),對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)采取安全保護(hù)措施,計(jì)算分析外部施工作業(yè)對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的受力和變形影響。本文研究可為類似工程的相關(guān)安全保護(hù)措施和現(xiàn)場(chǎng)施工控制提供參考。

1 工程背景

貴陽(yáng)市某新建地下過(guò)街通道位于城市主干道交叉口,上跨1號(hào)線和4號(hào)線。過(guò)街主通道上跨既有軌道交通模型示意圖如圖1所示。該路口基本情況為1號(hào)線(已運(yùn)營(yíng))呈東西向敷設(shè),4號(hào)線(遠(yuǎn)期線,下穿段預(yù)留結(jié)構(gòu)已與1號(hào)線同期實(shí)施)呈南北向敷設(shè),下穿1號(hào)線,且該處1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)頂部埋深僅為3.85 m。新建地下過(guò)街通道采用工字形主通道布置,建設(shè)規(guī)模為3 920 m2,共設(shè)8個(gè)出入口。

a) 平面位置圖

地下過(guò)街通道主通道E需上跨1號(hào)線和4號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu),與已建4號(hào)線通道在平面位置上基本重疊(見(jiàn)圖1 b))。受空間位置影響,過(guò)街通道主通道E結(jié)構(gòu)底部距1號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)僅0.3 m,為超近距離上跨施工作業(yè)。

2 安全保護(hù)方案及控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 既有軌道交通線路結(jié)構(gòu)

既有軌道交通線路的明挖區(qū)間為單層雙孔箱形結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)內(nèi)凈高為5.15 m,區(qū)間頂板、底板及側(cè)墻厚度為0.6 m,中隔墻厚度為0.3 m,1號(hào)線下方同步建設(shè)的4號(hào)線頂板與1號(hào)線明挖結(jié)構(gòu)底板共板設(shè)置,厚度為0.8 m,側(cè)墻寬為0.7 m。既有軌道交通線路結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。

單位:mm

2.2 主通道E的安全保護(hù)方案

新建地下過(guò)街主通道E采用鋼筋混凝土箱梁,凈空尺寸為10.0 m(寬)×2.7 m(高),箱梁頂板厚度為0.35 m,底板厚度為0.3 m,側(cè)墻厚度為0.6 m。為減小新建地下過(guò)街通道的施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有軌道交通線路的影響,主要采取以下保護(hù)措施:

1) 跨軌道交通隧道結(jié)構(gòu)采用暗埋托梁結(jié)構(gòu)形式,其剖面圖如圖3所示。暗埋托梁段承擔(dān)過(guò)街通道自身質(zhì)量和路面荷載,上跨梁長(zhǎng)為24.0 m,高為3.8 m。腹板采用加寬過(guò)渡段與橫梁相接。箱梁頂板設(shè)置寬為 0.8 m的受壓懸臂,以減小頂板變形。箱梁橫向設(shè)置牛腿,用于安裝搭板,并與路基過(guò)渡,減小不均勻沉降。

單位:mm

2) 托梁基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),為12根直徑1.8 m的混凝土灌注樁,距既有結(jié)構(gòu)最小凈距不小于2 m。同時(shí),按承壓和抗拔樁設(shè)計(jì)樁基,其與主梁端橫梁固結(jié),基底深入4號(hào)線結(jié)構(gòu)以下超過(guò)2 m。箱梁端橫梁設(shè)置于梁底,與樁基固結(jié)。

3) 為減小對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響,將隧道結(jié)構(gòu)頂部以上10 cm設(shè)置為墊層,可有效保護(hù)結(jié)構(gòu)防水層和荷載緩沖。

2.3 既有軌道交通結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》等規(guī)定,同時(shí)參考我國(guó)其他地區(qū)的相關(guān)變形控制標(biāo)準(zhǔn)[3],結(jié)合本項(xiàng)目涉及的1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)情況,確定本工程區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)為水平變形量小于5 mm,沉降量小于7 mm,隆起量小于5 mm。

3 安全保護(hù)方案施工影響分析

3.1 施工工況

新建地下過(guò)街通道基坑按照分層、分步、對(duì)稱、平衡、限時(shí)這5個(gè)要素,遵循“縱向分段、豎向分層、先支后挖”的原則。以基坑整個(gè)橫斷面的寬度和分層深度開(kāi)挖土體,嚴(yán)禁大槽開(kāi)挖施工。每層開(kāi)挖高度為 2 m,開(kāi)挖一層,支護(hù)一層。在軌道結(jié)構(gòu)防水層 1 m 內(nèi),采用人工配合機(jī)械開(kāi)挖,避免大型機(jī)械直接開(kāi)挖作業(yè)危及隧道安全。

主通道分3段施工,施工步驟為:

1) 第1節(jié)段、第3節(jié)段基坑開(kāi)挖;

2) 抗拔樁施工,底板澆筑,沙袋反壓底板;

3) 第2節(jié)段開(kāi)挖;

4) 抗拔樁施工,底板澆筑;

5) 第1節(jié)段、第2節(jié)段、第3 節(jié)段腹板和頂板一次澆筑成型,回填路面。

3.2 計(jì)算參數(shù)及本構(gòu)模型

根據(jù)勘察報(bào)告,地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。土體材料本構(gòu)模型采用修正Mohr-Coulomb模型,由非線性彈性模型和彈塑性模型組合,可以模擬土體不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為。新建地下過(guò)街通道結(jié)構(gòu)、抗拔樁、1號(hào)線結(jié)構(gòu)和4號(hào)線預(yù)留通道結(jié)構(gòu)的材料均采用彈性Elastic模型。模型結(jié)構(gòu)屬性及物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

表2 模型結(jié)構(gòu)屬性及物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算模型及數(shù)據(jù)分析

采用有限元軟件建立新建過(guò)街通道上跨1號(hào)線及4號(hào)線預(yù)留段明挖區(qū)間隧道的計(jì)算模型。考慮到圣維南原理的影響,模型尺寸設(shè)為基坑每側(cè)的超出寬度為基坑開(kāi)挖深度的3～5倍,模型尺寸為80 m(長(zhǎng))×80 m(寬)×40 m(高)。模型側(cè)向采用水平約束,模型底部采用豎向及水平約束。計(jì)算模型示意圖如圖4所示。在模擬場(chǎng)地原始地應(yīng)力和1號(hào)線及4號(hào)線預(yù)留段區(qū)間隧道開(kāi)挖施工完成后,進(jìn)行位移清零設(shè)置,再按照前文所述的施工步驟進(jìn)行施工模擬計(jì)算。

圖4 計(jì)算模型示意圖

不同施工步驟下,地層、1號(hào)線及4號(hào)線預(yù)留段區(qū)間結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖如圖5所示。當(dāng)?shù)?節(jié)段、第3節(jié)段基坑開(kāi)挖時(shí),土體最大隆起量約為4.2 mm,明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)頂板最大隆起量約為3.3 mm,位于基坑開(kāi)挖區(qū)域的中心位置;當(dāng)?shù)?節(jié)段土體開(kāi)挖時(shí),基坑土體最大隆起量約為4.0 mm,明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大隆起量約為3.2 mm;結(jié)構(gòu)澆筑完成回填后,區(qū)間最大位移為2.1 mm。

a) 過(guò)街通道第1節(jié)段、第3節(jié)段基坑開(kāi)挖

不同施工步驟下,既有結(jié)構(gòu)(1號(hào)線及4號(hào)線預(yù)留段)隆起量及內(nèi)力統(tǒng)計(jì)情況如表3所示。由表3可知:新建地下過(guò)街通道施工時(shí),既有結(jié)構(gòu)的最大隆起量約為3.3 mm,不超過(guò)變形控制標(biāo)準(zhǔn);新建地下過(guò)街通道施工引起區(qū)間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化,按裂縫控制進(jìn)行驗(yàn)算滿足施工要求。由此可見(jiàn),在采取一系列保護(hù)措施后,新建地下過(guò)街通道的施工對(duì)1號(hào)線和4號(hào)線產(chǎn)生的影響較小。

表3 不同施工步驟下既有結(jié)構(gòu)隆起量及內(nèi)力統(tǒng)計(jì)情況

3.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

為實(shí)時(shí)掌控項(xiàng)目施工對(duì)既有線路結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)所涉及的軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全保護(hù)專項(xiàng)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移、水平位移、相對(duì)收斂變形、軌道靜態(tài)幾何形位(軌距及高差)等,采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在1號(hào)線區(qū)間隧道中,按照 5～6 m間距布設(shè)測(cè)點(diǎn),共計(jì)布設(shè) 13個(gè)斷面,每個(gè)斷面包含頂板沉降測(cè)點(diǎn)(2個(gè))、道床沉降測(cè)點(diǎn)(4個(gè),水準(zhǔn)測(cè)量和靜力水準(zhǔn)測(cè)量各 2 個(gè))、側(cè)墻結(jié)構(gòu)水平及豎向位移測(cè)點(diǎn)(4個(gè),水平和豎向共用測(cè)點(diǎn))、相對(duì)收斂變形測(cè)點(diǎn)(與結(jié)構(gòu)水平位移共用測(cè)點(diǎn))共計(jì)10個(gè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí),對(duì)軌道靜態(tài)幾何形位進(jìn)行檢查,對(duì)變形縫差異沉降增加 1 組沉降測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖6所示。

注:Y0為右線;Z0為左線;A—E為測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

1號(hào)線和4號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的最大隆起量對(duì)比如圖7所示。由圖7可知:1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)累計(jì)變形量為0～1.5 mm,其變形趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果相符,但其實(shí)測(cè)數(shù)值小于計(jì)算值且未超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)值;在施工過(guò)程中,1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)的豎向變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化速率不大,隆起量浮動(dòng)較小,說(shuō)明項(xiàng)目施工全過(guò)程對(duì)既有線路的影響較小。

圖7 1號(hào)線和4號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的 隆起量對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)施工控制措施

1) 該項(xiàng)目為超小凈距施工,施工前進(jìn)行了聯(lián)測(cè),確保了過(guò)街通道和1號(hào)線及4號(hào)線預(yù)留段區(qū)間結(jié)構(gòu)平面坐標(biāo)、高程與收集資料一致,特別是鉆孔和基樁的位置,為施工提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。

2) 地下通道上跨明挖區(qū)間節(jié)點(diǎn)處需嚴(yán)格控制先期開(kāi)挖第1節(jié)段、第3節(jié)段的基坑范圍,在該范圍底板結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度后需進(jìn)行配重,以減少后期基坑開(kāi)挖引起的回彈變形?；拥撞康耐馏w必須采用人工開(kāi)挖,以確保軌道交通結(jié)構(gòu)防水層的完整性。

3) 對(duì)1號(hào)線明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全專項(xiàng)監(jiān)測(cè),并做好應(yīng)急預(yù)案?，F(xiàn)場(chǎng)需配備足夠的應(yīng)急物資,一旦發(fā)生險(xiǎn)情應(yīng)及時(shí)處理。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)有限元數(shù)值模擬可知,地下通道施工完成后,1號(hào)線明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)(含4號(hào)線預(yù)留節(jié)點(diǎn))的最大隆起量約為3.3 mm,滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn),且新建地下過(guò)街通道的施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力較小,滿足明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)受力要求。

2) 在既有軌道交通結(jié)構(gòu)近距離施工時(shí),外部施工項(xiàng)目應(yīng)采取必要的安全保護(hù)措施,精細(xì)化設(shè)計(jì)和施工控制措施對(duì)既有軌道交通的建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)十分重要。

3) 加強(qiáng)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)專項(xiàng)監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)掌握軌道交通結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài),為現(xiàn)場(chǎng)施工提供必要信息,動(dòng)態(tài)調(diào)整施工控制措施。