地鐵出入口下穿地面輕軌路基施工技術(shù)研究

張興剛

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧沈陽 110013)

地鐵出入口下穿地面輕軌路基施工技術(shù)研究

張興剛

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧沈陽 110013)

地鐵出入口暗挖下穿既有輕軌路基屬于重大風(fēng)險源，所處地層為雜填土層及卵石層，地下水為海水環(huán)境，施工難度巨大。本文結(jié)合工程實例，對礦山法下穿地面有軌路基施工技術(shù)進行研究，包括數(shù)值計算、變形控制指標、工程措施及應(yīng)急預(yù)案等，可作為今后類似工程的參考。

地鐵結(jié)構(gòu) 地面輕軌路基 礦山法施工 全斷面止水 大管棚

1 工程概況

地鐵出入口下穿202地面輕軌路基，結(jié)構(gòu)拱頂至路基底面的高度6.3～7.5 m，出入口結(jié)構(gòu)拱頂位于雜填土中，洞身位于雜填土及卵石層中，地勘資料的綜合圍巖級別為Ⅵ級。

根據(jù)勘察報告，本工點場區(qū)地貌屬于凌水河階地，距離海岸線不足400 m，地勢平坦，地面高程4.16～5.16 m。本次勘察深度范圍內(nèi)的地層為第四系全新統(tǒng)沖積層，第四系上更新統(tǒng)坡洪積層，第四系中更新統(tǒng)殘積黏土層及卵石層。其中卵石呈灰黃色，飽和，稍密～中密，多呈亞圓形，主要成分為石英巖，粒徑20～100 mm，局部含有漂石，間隙充填有礫砂等，層厚1.50～12.00 m，層底高程－10.59～－5.59 m。

由于雜填土的透水性強，穩(wěn)定性較差，故在地面輕軌路基下方進行礦山法施工難度和風(fēng)險都是巨大的，有效的超前支護措施是工程施工成功的關(guān)鍵。為有效控制運行中的地面輕軌路基的沉降，施工中采用在暗挖馬頭門處設(shè)置管棚導(dǎo)向墻，打設(shè)φ108@300 mm(壁厚12 mm，長45 m)超前大管棚進洞及采取超前支護措施。同時，以φ42@300 mm超前小導(dǎo)管注漿作為輔助超前支護措施。大管棚可以有效地起到剛性支撐的作用，小導(dǎo)管注漿可以有效固結(jié)雜填土層。

場區(qū)中凌水河于南北兩側(cè)穿過，凌水河遇漲潮期海水會沿河道倒灌。本場地范圍內(nèi)地下水主要賦存于素填土層及卵石層中，水量豐富，同時受海水的潮汐影響，地下水位埋深3.1 m。由于結(jié)構(gòu)處于卵石層中，卵石層具中等透水性，滲透系數(shù)k=10～12 m/d，對施工造成極嚴重的影響，故施工中采用井點區(qū)域降水輔以全斷面止水方案，這樣可以保證即使在井點降水失效的情況下，結(jié)構(gòu)仍可以在全斷面止水的輔助下進行暗挖施工。

工程采用上下臺階法施工，初支格柵鋼架間距500 mm，二襯采用模筑C30混凝土。設(shè)計中采用ANSYS大型有限元數(shù)值模擬軟件進行計算，同時對比國內(nèi)相似工程經(jīng)驗，確保設(shè)計方案合理，有效控制地面輕軌路基安全。

2 數(shù)值分析

出入口隧道結(jié)構(gòu)剖面及所處地層關(guān)系見圖1。主體結(jié)構(gòu)頂部位于雜填土層中，洞身位于粉質(zhì)黏土及卵石層中，本次計算主要分析結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定土體中開挖時的地面沉降值及控制措施的作用。

計算采用平面應(yīng)變模型，地層均采用平面實體單元模擬，隧道結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬?？紤]邊界效應(yīng)的影響，計算模型的尺寸取為45 m×25 m。邊界條件為左右和底部為法向約束，上部為自由面。計算采用控制應(yīng)力釋放率的方法模擬，隧道采用全斷面法施工，開挖釋放率為0.3。考慮地表作用20 kPa的活載。有限元模型如圖2所示。

初期支護完成后結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖5及圖6所示?？梢娊Y(jié)構(gòu)最大彎矩為45.173 kN·m，最大軸力233.967 kN。

圖1 結(jié)構(gòu)剖面及所處地層(單位:mm)

圖2 有限元整體模型

圖3 出入口初期支護完成后豎向位移(單位:m)

圖4 出入口初期支護完成后路基底面沉降分布

圖5 出入口初期支護完成后襯砌彎矩(單位:N·m)

圖6 出入口初期支護完成后襯砌軸力(單位:N)

綜上分析可知，在超前大管棚作為超前支護的條件下，隧道本體的拱頂沉降達到了12.178 mm，路基基礎(chǔ)的最大沉降為5.865 mm，均小于《安全風(fēng)險技術(shù)管理體系》和《鐵路線路修理規(guī)則》中對既有建筑和線路的控制指標。出入口在格柵+φ108@300 mm超前大管棚+φ42@300 mm超前小導(dǎo)管注漿作為超前支護情況下，結(jié)構(gòu)能滿足路基的沉降要求。

但考慮土體結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，尤其是在進行區(qū)域降水的情況下，卵石層的細小顆粒會隨著降水井的水流被抽走，從而造成地層的沉降(這部分沉降不在本次計算的模擬范圍內(nèi))，故在進行施工前，應(yīng)首先進行降水試驗，盡量減小井壁紗布的孔徑，降低降水造成的沉降影響。如由于降水造成的土體固結(jié)及細小顆粒流失對地層沉降影響明顯，應(yīng)考慮全斷面注漿止水的方案。這樣不但可以滿足礦山法施工條件，還可以避免降水造成的地面沉降。

在施工過程中需要加強對暗挖結(jié)構(gòu)和路基的實時監(jiān)測，并適時調(diào)整支護參數(shù)和施工措施，做到動態(tài)設(shè)計，確保路基和出入口結(jié)構(gòu)的安全。

3 變形控制指標

依據(jù)工程實際地質(zhì)情況，通過有限元計算、以往經(jīng)驗及建筑物沉降控制標準，可以得出以下結(jié)論，為了確保路基在區(qū)間出入口施工過程中，不致發(fā)生結(jié)構(gòu)沉降過大而破壞，確定該路基基礎(chǔ)沉降控制標準為:路基絕對沉降控制在20 mm以內(nèi)，隆起量控制在10 mm以內(nèi);穿越輕軌軌道絕對沉降值建議不大于10 mm。線路鋼軌靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值(按列車速度＜120 km/h、經(jīng)常保養(yǎng)狀態(tài)):①軌距，+7～－4 mm;②水平，6 mm;③高低，6 mm;④三角線扭曲，6 mm。

4 風(fēng)險工程保護措施

1)施工前應(yīng)先對輕軌路基進行地面注漿加固，必要時可以進行地面扣軌，在暗挖施工中應(yīng)對列車進行限速。

2)控制開挖進尺，每循環(huán)控制在0.5 m并及時架設(shè)格柵，進行噴射混凝土支護。

3)出入口采用環(huán)形臺階法開挖，格柵間距0.5 m。在下臺階卵石地層中，施工時加強超前地質(zhì)預(yù)報，打設(shè)超前探水管，保持作業(yè)面前方不小于5 m的探測長度，如降水及止水效果沒能滿足施工要求，應(yīng)在作業(yè)面注水泥水玻璃漿液進行封堵，確保無水作業(yè)。

4)施工應(yīng)遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的原則。施工時加強地表沉降、滲漏水監(jiān)測，特別是路基的位移監(jiān)測，監(jiān)測頻率應(yīng)適當加密。如有可能應(yīng)盡量選擇枯水季節(jié)施工。

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5 應(yīng)急預(yù)案

為保證周邊環(huán)境和施工的安全，各相關(guān)方須通力合作，采取有效的維護及應(yīng)急措施。當量測中發(fā)現(xiàn)指標超限時，應(yīng)立即停止開挖，全斷面封閉作業(yè)面，并及時通知業(yè)主、監(jiān)理及設(shè)計單位，提供所有資料給有關(guān)人員或部門，認真分析與查找原因，提出對策，采取可靠措施后方可恢復(fù)掌子面開挖。以下提供的應(yīng)急措施僅供參考，各項措施應(yīng)根據(jù)需要選用。

1)施工期間應(yīng)配備必要的搶險設(shè)備及材料，例如注漿機、砂包、水泥、速凝劑及鋼管等。

2)應(yīng)配備一定數(shù)量的搶險人員，指揮人員應(yīng)在現(xiàn)場值班。

3)如沉降過大，可對開挖影響范圍的土體，尤其是結(jié)構(gòu)與地面輕軌路基間的土體進行加固處理，根據(jù)監(jiān)測情況調(diào)整注漿壓力和參數(shù)。

4)如出現(xiàn)紅色預(yù)警，可采用注漿、旋噴樁進行跟蹤加固。

5)加密監(jiān)測頻率，成立現(xiàn)場指揮小組進駐現(xiàn)場進行24 h的施工管理。

6 結(jié)論

1)對于采用礦山法施工的暗挖結(jié)構(gòu)下穿軌道交通路基時，必須采取有效的超前支護措施，如密排大管棚在結(jié)構(gòu)頂部形成較大剛度的殼體，對上覆土體形成較強支護，對控制路基變形起到控制作用。

2)對于礦山法隧道結(jié)構(gòu)下穿重大風(fēng)險源的工況，設(shè)計中應(yīng)盡量對結(jié)構(gòu)斷面進行劃分，使每次以較小斷面開挖，同時嚴格控制施工進尺，控制爆破振速。

3)有條件時，施工前地面應(yīng)對路基進行加固，以有效控制沉降發(fā)展。

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TU94+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．29

1003-1995(2013)05-0096-03

2012-11-26;

2013-01-30

張興剛(1974—)，男，遼寧沈陽人，高級工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)