河道拓寬工程對下方運(yùn)營地鐵隧道保護(hù)措施研究

張 杰 ，沈曉偉，宋 磊，韋扣均

(1. 華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司， 南京 210014； 2. 南京地鐵集團(tuán)有限公司， 南京 210008)

隨著地鐵線路密度越來越大、范圍越來越廣，河道整治等水利工程不可避免地會與之臨近或平面交叉。軌道交通工程對沉降變形控制要求較高，如變形過大，可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)和行車安全存在隱患，這就對外部作業(yè)工程提出了高標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)要求[1-3]。河道綜合整治包含河道拓寬、圍堰截流、河底加固等項目，如何正確評價和確定以上作業(yè)對地鐵隧道的影響直接關(guān)系到相關(guān)設(shè)計措施和施作方式[4-7]，因此十分關(guān)鍵。

本文以南京地鐵3號線區(qū)間隧道上方中心河整治拓寬工程為例，將其設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并通過MADIS分析包含河道截流、拓寬改造等內(nèi)容的全過程工況，總結(jié)得出控制拓寬斷面、預(yù)留核心土等措施可有效控制地鐵隧道變形的結(jié)論，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，可供類似工程參考。

1 工程概況

中心河整治拓寬工程與南京地鐵3號線盾構(gòu)區(qū)間平面交叉，該段隧道采用外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m、壁厚0.35 m、環(huán)寬1.2 m的盾構(gòu)管片；交叉段河道整治挖深約為2.7～3.0 m，改造后河道采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡，河床采用框格梁格埂護(hù)底；河道改造完成面底與地鐵隧道結(jié)構(gòu)洞頂最小凈距約為13.8 m。河道拓寬改造期間地鐵正常運(yùn)營，地鐵隧道和箱涵的平面和剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地鐵隧道和箱涵的平面和剖面位置關(guān)系

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，河道拓寬整治與地鐵隧道交叉段地層由上至下依次為1-1填土層、2-2bc4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層、2-2c2-3粉土層、2-3dc2-3粉砂夾粉土層、2-4d2-3粉細(xì)砂層、2-5d1粉細(xì)砂層，其中河道、地鐵隧道分別位于2-2bc4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層、2-4d2-3粉細(xì)砂層，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

2 設(shè)計方案調(diào)整優(yōu)化

河道整治開挖減輕了地鐵隧道的上部荷載，打破了原有的荷載平衡。河道開挖取土?xí)共糠炙淼澜Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向位移，引起整個隧道的內(nèi)力變化、不均勻沉降與隆起。因此，本文主要對設(shè)計方案中的河道拓寬斷面、開挖方式、后期河床穩(wěn)定等方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 開挖斷面優(yōu)化

將隧道上方河道斷面護(hù)坡由二級護(hù)坡改為一級護(hù)坡，且坡比調(diào)整為1:2，減少了河道開挖面積，開挖斷面面積由原來的58 m2減少為33.1 m2；通過對開挖斷面的優(yōu)化，降低對地鐵隧道的影響。河道拓寬斷面圖如圖2所示。

修改前

修改后圖2 河道拓寬斷面圖(單位：m)

2.2 河底加固優(yōu)化

河道整治完成后，如不針對河床采取措施，易造成河底土體隨河流沖刷不斷減少，隧道上方土體也會隨之減少，最終威脅地鐵隧道安全。為保證后期河床土體的穩(wěn)定性，在河床底部增設(shè)了400×400框格梁格埂，河床格埂布置如圖3所示。

2.3 開挖方式優(yōu)化

為降低工程對地鐵的影響，地鐵隧道兩側(cè)15 m范圍內(nèi)采用跳倉法分段施工(即先施工非填充區(qū)域土方，后施工填充區(qū)域土方)，每次施工寬度為10 m，中間預(yù)留核心土，減少開挖面積，以減緩盾構(gòu)隧道的變形。隧道上方核心土預(yù)留布置如圖4所示。

圖4 隧道上方核心土預(yù)留布置

3 MADIS數(shù)值影響分析

3.1 計算模型和計算參數(shù)

利用MIDAS進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析河道拓寬整治工程對既有地鐵隧道的影響。模型尺寸為120 m(長)×120 m(寬)×40 m(深)，三維模型如圖5所示。

整體模型

河道與隧道模型圖5 三維模型

河道開挖采用單元鈍化的方式進(jìn)行模擬，機(jī)械荷載等效為均布荷載，施加于基坑外側(cè)。

3.2 計算結(jié)果

為保證三維模擬與實(shí)際工況相一致，共分三次開挖模擬，第一次、第二次分別開挖隧道兩側(cè)和上方非核心土部位，第三次開挖預(yù)留核心土。

地表豎向位移云圖如圖6所示，各工況隧道變形值如表2所示。

圖6 地表豎向位移云圖

從圖6和表2中可知，基坑開挖結(jié)束后坑底存在隆起現(xiàn)象，隆起最大值約為10.79 mm(位于模型邊界處，離隧道較遠(yuǎn))；右線隧道上方坑底地層隆起約8.34 mm，左線隧道上方坑底地層隆起約9.23 mm。因河道坑底位于淤泥質(zhì)地層內(nèi)，開挖地層為素填土層和淤泥質(zhì)地層，地層抵抗變形能力差，坑基開挖卸載后地應(yīng)力釋放，下部地層反彈引起基坑底部隆起。

表2 各工況隧道變形值 (單位：mm)

區(qū)間隧道水平位移云圖如圖7所示。從圖7可知，河道整治開挖后，地鐵盾構(gòu)隧道在水平方向受到的影響較小，開挖完成后最大水平位移為0.87 mm。

圖7 區(qū)間隧道水平位移云圖

區(qū)間隧道豎向位移云圖如圖8所示。從圖8可知，開挖完成后右線位移3.22 mm(上浮)、左線位移3.86 mm(上浮)，隧道徑向收斂值右線0.40 mm(徑向收縮)、左線0.79 mm(徑向收縮)。隧道最大豎向位移出現(xiàn)在河道開挖基坑中部對應(yīng)的拱頂處，管片收斂最大值位于豎向位移對應(yīng)的隧道斷面上。

圖8 區(qū)間隧道豎向位移云圖

綜合三維模擬，整個河道拓寬整治施工過程中，隧道最大上浮值為3.86 mm，結(jié)合表2中的具體各工況對應(yīng)隧道變形值可知，其變形值滿足相關(guān)規(guī)范要求(小于10 mm)。

4 隧道變形監(jiān)測

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布置和現(xiàn)場實(shí)施

河道拓寬整治期間，地鐵隧道采用人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測結(jié)合的方法，對區(qū)間隧道沉降、水平直徑收斂、靜態(tài)幾何變形等參數(shù)進(jìn)行了長期監(jiān)測，監(jiān)測范圍為項目正投影段地鐵上、下行線隧道及兩端各外擴(kuò)10 m區(qū)域，監(jiān)測布置如圖9所示，按黃色、橙色、紅色三級預(yù)警進(jìn)行管理和控制，針對有可能引起盾構(gòu)隧道突發(fā)事故的情況制定搶險應(yīng)急預(yù)案。

圖9 監(jiān)測布置

為確保地鐵隧道安全，需督促現(xiàn)場落實(shí)相關(guān)保護(hù)措施，實(shí)時跟進(jìn)施工過程。預(yù)留核心土跳倉施工如圖10所示；河床格埂作業(yè)如圖11所示。

圖10 預(yù)留核心土跳倉施工

圖11 河床格埂作業(yè)

4.2 監(jiān)測結(jié)果

左線區(qū)間隧道豎向位移如圖12所示，右線區(qū)間隧道豎向位移如圖13所示。左線階段沉降量為-0.6～2.5 mm，沉降速率最大值為0.025 mm/d；右線階段沉降量為0.6～2.9 mm，沉降速率最大值為0.029 mm/d。

圖12 左線區(qū)間隧道豎向位移

圖13 右線區(qū)間隧道豎向位移

由于河道處于隧道結(jié)構(gòu)正上方，在河道施工期間，河道內(nèi)土方開挖導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)正上方荷載減少，左右線道床均發(fā)生了小幅上抬，監(jiān)測區(qū)段的中部上抬量明顯高于兩側(cè)，呈現(xiàn)拋物線型。根據(jù)河道與地鐵隧道的平面位置可知，河道中部的土方開挖對地鐵隧道的影響明顯大于河道兩側(cè)。同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析值(3.22 mm，3.82 mm)較好吻合，說明上述模擬分析能較真實(shí)地反映工程實(shí)際情況。

據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)[8]，河道拓寬整治施工過程對下方地鐵隧道產(chǎn)生的影響能滿足變形要求。

5 結(jié)論

河道拓寬改造期間，地鐵隧道最大沉降值為2.9 mm，對地鐵隧道變形的影響可控，說明本項目采取的一系列措施能有效控制地鐵變形，對類似工程有很好的參考價值。對本項目采取措施的總結(jié)及對類似工程的建議如下。

(1) 河道整治施工應(yīng)在地鐵隧道兩側(cè)采用跳倉法進(jìn)行分段施工，控制施工寬度并預(yù)留核心土，以減緩盾構(gòu)隧道的變形。

(2) 河道中部的土方開挖對地鐵隧道的影響明顯大于河道兩側(cè)，在有條件的情況下，應(yīng)盡量增加中部分區(qū)，減少每次開挖的規(guī)模，削弱基坑空間效應(yīng)。

(3) 為確保后期河床穩(wěn)固，在隧道上方河床范圍內(nèi)應(yīng)采用框格梁格埂穩(wěn)固河底。