復(fù)雜環(huán)境下城市隧道節(jié)點(diǎn)分析

李 珅 熠

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司廣東分公司， 廣東 深圳 518000)

城市隧道工程周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑物、構(gòu)筑物密集。城市下穿隧道結(jié)構(gòu)施工對周圍地鐵的影響通常采用經(jīng)驗法確定，結(jié)果常常難以滿足使用要求[1]，特別是在地鐵周邊新建地下構(gòu)筑物時，如果不能正確評估新建構(gòu)筑物施工過程給既有地鐵帶來的潛在危險，經(jīng)濟(jì)損失及社會影響難以估計[2]。近年來發(fā)生的基坑施工事故，更引起了人們對施工安全的關(guān)注[3]。因此，正確評估臨近地鐵地塊開發(fā)，分析新建地下構(gòu)筑物對既有地鐵的安全性影響工作意義重大。本文以國內(nèi)某城市下穿隧道工程為例，對上跨地鐵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究分析。

1 工程概況

城市隧道中間暗埋段上跨既有地鐵區(qū)間礦山法隧道段，地鐵隧道覆土厚度14 m，與新建隧道之間的最小豎向凈間距約為5.5 m。新建隧道同時側(cè)穿既有地鐵車站，與車站主體的最小平面距離約20 m。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，城市隧道上跨既有地鐵區(qū)間隧道節(jié)點(diǎn)的50 m控制保護(hù)區(qū)內(nèi)地鐵區(qū)間隧道病害主要表現(xiàn)為裂縫及輕微漏水，其上、下行線最大累計沉降變形量為1.05 mm；本期最大沉降變形為1.1 mm，最大變形速率為0.006 mm/d，地鐵區(qū)間隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。其位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 城市下穿隧道與既有地鐵平面關(guān)系圖

2 上跨地鐵節(jié)點(diǎn)設(shè)計

新建城市隧道上跨既有地鐵區(qū)間隧道50 m控制保護(hù)區(qū)內(nèi)土層基坑圍護(hù)參數(shù)如表1所示。表層分布素填土，土質(zhì)松散，工程性質(zhì)差；其下分布粉質(zhì)黏土Ⅰ和粉質(zhì)黏土Ⅱ，土質(zhì)為可塑到硬塑性，工程性質(zhì)好；局部分布含卵礫石粉質(zhì)黏土，土質(zhì)為硬塑性，欠均勻，工程性質(zhì)一般。穿越處基坑采用明挖法施工。

表1 土層基坑圍護(hù)參數(shù)表

2.1 上跨節(jié)點(diǎn)計算

城市下穿隧道上跨既有地鐵區(qū)間隧道節(jié)點(diǎn)處基坑深約12.8 m，采用鉆孔灌注樁支護(hù)，豎向設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐和一道換撐(Φ609×16鋼支撐)，第一、二道支撐為800 × 800混凝土支撐，水平間距6～7.4 m；第二道支撐換撐為Φ609 × 16鋼支撐，水平間距為4.0 m。由于基坑開挖容易造成地鐵區(qū)間隧道卸荷回彈隆起，采用長短樁結(jié)合加基底管幕方案，圍護(hù)平面圖如2所示。長樁支護(hù)段基坑開挖深度≤12.8 m，采用Φ1 m@1.2 m鉆孔灌注樁支護(hù)，設(shè)2道混凝土支撐+1道Φ609鋼支撐；短樁支護(hù)段基坑開挖深度≤9.8 m，采用Φ0.8 m@1 m鉆孔灌注樁支護(hù)，設(shè)2道混凝土支撐+1道Φ609鋼支撐。計算結(jié)果如表2和表3所示。

圖2 上穿節(jié)點(diǎn)圍護(hù)平面

表2 長樁支護(hù)驗算結(jié)果表

表3 短樁支護(hù)驗算結(jié)果表

通過基坑軟件計算分析，新建城市隧道上跨既有地鐵區(qū)間隧道50 m控制保護(hù)區(qū)內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及地表沉降均滿足一級基坑的變形控制標(biāo)準(zhǔn)；基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及抗隆起穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。綜上所述，以上各項支護(hù)參數(shù)滿足基坑安全及規(guī)范要求。

2.2 上跨節(jié)點(diǎn)施工順序

考慮到上跨地鐵節(jié)點(diǎn)的特殊性及安全性，基坑開挖順序也是施工過程的重中之重[4]。為了減少全斷面開挖帶來的不利影響，先施工上跨節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的基坑及主體結(jié)構(gòu)，再施工上跨既有地鐵區(qū)間隧道節(jié)點(diǎn)處。節(jié)點(diǎn)處還應(yīng)采取分段卸載開挖、快速澆筑主體結(jié)構(gòu)等措施，以確保地鐵結(jié)構(gòu)安全。分段開挖過程中需使用臨時支護(hù)措施，防止基坑變形過大或失穩(wěn)，若節(jié)點(diǎn)施工過程中地鐵區(qū)間隧道上浮變形過大，應(yīng)及時在新建隧道主體結(jié)構(gòu)底板上方堆放沙袋進(jìn)行覆重。上跨節(jié)點(diǎn)斷面如圖3所示。總體而言，分為3個階段。

圖3 上跨節(jié)點(diǎn)斷面圖

第1階段：施工工作井、鉆孔樁、止水帷幕，待工作井底板側(cè)墻達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，按順序頂進(jìn)鋼管幕。

第2階段：分層開挖地鐵上蓋區(qū)域基坑，待挖深至一定深度后，快速施工中間1/3隧道底板并壓重，再快速施工其余兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)底板并壓重，最后施工側(cè)墻及頂板結(jié)構(gòu)。

第3階段：拆除工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)，與兩側(cè)隧道共同施工。

3 數(shù)值模擬驗算

采用巖土與隧道仿真分析軟件MIDAS/GTS進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，通過計算分析出擬建隧道開挖基坑、施做主體結(jié)構(gòu)對既有地鐵礦山法區(qū)間隧道的影響(包含基坑施工期間地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、豎向位移、收斂值等)[5]。本次工程模型尺寸采用400 m(長度)× 400 m(寬)× 60 m(深)，其中長是指沿隧道延伸方向的長度。模型邊界條件：模型在垂直于隧道延伸方向兩側(cè)邊界約束其X方向的位移，隧道延伸方向兩側(cè)邊界約束其Y方向的位移，底部邊界約束其Z方向的位移，地表為自由邊界。上跨節(jié)點(diǎn)總體模型如圖4所示，隧道基坑(未開挖)與既有地鐵區(qū)間隧道、車站模型如圖5所示。上跨既有地鐵隧道節(jié)點(diǎn)基坑開挖工序圖如圖6所示。

圖4 上跨節(jié)點(diǎn)總體模型圖 圖5 隧道基坑(未開挖)與既有地鐵區(qū)間隧道、車站模型圖

圖6 上跨既有地鐵隧道節(jié)點(diǎn)基坑開挖工序圖

具體計算過程主要包括：

(1)激活現(xiàn)狀土層以及既有地鐵隧道、車站結(jié)構(gòu)，初始應(yīng)力平衡計算；

(2)開挖上穿既有地鐵隧道節(jié)點(diǎn)兩側(cè)站前隧道基坑，施做主體結(jié)構(gòu)(A區(qū))；

(3)施工上穿既有地鐵隧道節(jié)點(diǎn)下方設(shè)置的管幕；

(4)開挖上穿既有地鐵隧道節(jié)點(diǎn)上方B區(qū)土方，施做主體結(jié)構(gòu)；

(5)開挖上穿既有地鐵隧道節(jié)點(diǎn)上方C區(qū)土方，施做主體結(jié)構(gòu)；

(6)開挖上穿既有地鐵隧道節(jié)點(diǎn)上方D區(qū)土方，施做主體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)三維驗算結(jié)果，提取各施工工況下既有地鐵結(jié)構(gòu)的豎向變形、水平變形、車站豎向變形等數(shù)值進(jìn)行分析，最終驗算結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 既有地鐵隧道豎向位移圖(Max=4.5 mm)

圖8 既有地鐵隧道水平位移圖(Max=2.31 mm)

圖9 車站豎向變形圖(Max=0.23 mm)

根據(jù)前述計算結(jié)果，各工況計算結(jié)果統(tǒng)計如表4所示。

表4 各工況計算結(jié)果統(tǒng)計表 單位：mm

由以上計算結(jié)果分析可知，在整個站前隧道基坑開挖和回筑過程中，既有地鐵區(qū)間隧道的豎向隆起值最大為4.5 mm，最大水平變形值為2.31 mm，最大收斂值為3.86 mm，地鐵車站最大隆起值為0.23 mm。由數(shù)值模擬結(jié)果來看，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范的要求。

3 結(jié) 語

通過計算分析及數(shù)值模擬，城市下穿隧道上跨地鐵節(jié)點(diǎn)采用長短樁+管幕是可行的。新建隧道上跨既有地鐵區(qū)間隧道50 m控制保護(hù)區(qū)內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及地表沉降均滿足一級基坑的變形控制標(biāo)準(zhǔn)；其基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及抗隆起穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。受新建工程施工影響，既有地鐵區(qū)間隧道、車站結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定變形，根據(jù)驗算預(yù)測結(jié)構(gòu)變形，產(chǎn)生的變形較小，且基坑開挖、路基施工等因素引起的變形對既有地鐵隧道的影響在允許安全范圍之內(nèi)。根據(jù)基坑開挖時空效應(yīng)，分層分段開挖并及時壓重。城市下穿隧道上跨地鐵節(jié)點(diǎn)處采取分段卸載開挖、快速澆筑主體結(jié)構(gòu)等工程措施，確保地鐵結(jié)構(gòu)安全。