新建箱涵小凈距上跨既有地鐵設(shè)計

傅家鯤，鄧雪峰

（成都市市政工程設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610023）

0 引 言

隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)和營運線路的增加，新建其他市政工程近距離穿（跨）越既有地鐵線路的情況日益增多[1-3]。新建市政工程施工時，不可避免要引起鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化和軌道變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和軌道變形的變化值超過允許范圍時，就可能造成結(jié)構(gòu)破壞，影響地鐵營運的安全性。

本文以成都市牟珠堰河道上跨已營運的地鐵5號線工程為背景，介紹跨越地鐵段的設(shè)計和保護方案。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)狀及規(guī)劃河道情況

現(xiàn)狀牟珠堰河道為寬10~15 m左右的天然河道，流向為由北向南，以明渠形式從地鐵5號線九道堰站的東側(cè)區(qū)間通過。規(guī)劃牟珠堰河道為寬20 m的人工河道，規(guī)劃位置將其調(diào)整至地鐵5號線九道堰站的西側(cè)區(qū)間通過，同時穿越市政道路，如圖1所示。

圖1 牟珠堰河道現(xiàn)狀及規(guī)劃調(diào)整位置

1.2 運營地鐵情況

成都地鐵5號線為已運營線路，九道堰站為地下側(cè)式車站，標(biāo)準(zhǔn)段寬64 m，總長約306 m，覆土約3.5~3.7 m。車站兩側(cè)均有一段框架結(jié)構(gòu)區(qū)間，其中東側(cè)框架結(jié)構(gòu)段長約149 m，西側(cè)框架結(jié)構(gòu)段長約278 m。

重新規(guī)劃位置的牟珠堰河道從西側(cè)地鐵框架結(jié)構(gòu)區(qū)間段上方通過。該處地鐵結(jié)構(gòu)為單箱雙室框架結(jié)構(gòu)（見圖2），覆土約6.5 m，依靠自重抗浮，抗浮安全系數(shù)不低于1.05[4]。地鐵區(qū)間施工時采用明挖現(xiàn)澆施工，基坑采用圍護樁支護，圍護樁緊貼框架結(jié)構(gòu)外側(cè)。

圖2 地鐵明挖框架結(jié)構(gòu)（單位：cm）

1.3 地質(zhì)情況

本工程地質(zhì)情況較為復(fù)雜且變化較大，在地鐵北側(cè)為砂卵石地層，地鐵上方為回填土，地鐵南側(cè)為13 m厚雜填土，如圖3所示。砂卵石地層可直接作為箱涵地基使用，回填土和雜填土均需進行地基處理后方可使用。

圖3 地質(zhì)剖面圖

2 設(shè)計方案

2.1 總體設(shè)計

規(guī)劃牟珠堰河道呈“弧形”曲線穿越市政道路，長約134 m，其中河道與地鐵重疊段長約35 m。

為保證市政道路的貫通，同時減小對地鐵的影響，穿越段河道采用箱涵結(jié)構(gòu)。箱涵位于地鐵5號線區(qū)間的上方、市政道路的下方?？缭降罔F段采用整節(jié)段澆筑，沉降縫設(shè)置于地鐵結(jié)構(gòu)范圍外。

箱涵底板與地鐵結(jié)構(gòu)頂板最小凈距為0.4 m，箱涵頂板覆土厚度約1.16 m，如圖4所示。

圖4 箱涵與地鐵及路面高程關(guān)系圖（單位：cm）

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)過水流量計算，箱涵結(jié)構(gòu)采用單箱雙室截面。每個洞室凈寬10 m，凈高3.4 m。箱涵側(cè)墻厚度為70 cm，中墻厚度為60 cm，頂板、底板厚度均為80 cm。同時，為了滿足地鐵結(jié)構(gòu)的抗浮要求，在跨越地鐵段時，箱涵結(jié)構(gòu)增加了抗浮腳趾，如圖5所示。根據(jù)計算，箱涵修筑完成后，地鐵結(jié)構(gòu)的抗浮安全系數(shù)不低于1.05，滿足營運安全的要求。

圖5 箱涵結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：cm）

2.3 地基處理

由于地鐵上方的回填土和地鐵南側(cè)的雜填土均無法滿足箱涵地基承載力要求，因此對該部分地基需進行處理。

地鐵上方的回填土厚度較小，采用清除換填方式處理。因地鐵處于營運階段，禁止振動碾壓，故換填材料選用低標(biāo)號混凝土。

地鐵南側(cè)的雜填土厚度達8 m左右，選用素混凝土樁復(fù)合地基處理，樁底進入卵石層，樁頂設(shè)置褥墊層。素混凝土樁采用旋挖成孔，減小施工振動對地鐵的影響。

3 地鐵保護方案

3.1 控制標(biāo)準(zhǔn)

箱涵基坑的開挖和箱涵結(jié)構(gòu)的修筑會引起基坑底部下的土體回彈變形和再壓縮變形。土體的變形必然會引起埋置于土體中的地鐵結(jié)構(gòu)變形。當(dāng)變形超過允許值時，地鐵結(jié)構(gòu)會發(fā)生開裂，軌道會發(fā)生變形，影響地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性和營運的安全性。

根據(jù)地鐵保護要求，箱涵與地鐵5號線區(qū)間的相對凈距小于0.5 H（H為基坑開挖深度），接近程度判定為非常接近。箱涵位于地鐵結(jié)構(gòu)正上方，外部作業(yè)的工程影響分區(qū)判定為強烈影響區(qū)（A）。綜合評定外部作業(yè)影響等級為特級。

綜合考慮規(guī)范[5]及成都市軌道管理體系要求，并結(jié)合實際工程經(jīng)驗，制定本工程中對軌道交通既有線結(jié)構(gòu)安全的控制指標(biāo)（見表1）。

表1 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

3.2 保護措施

由于箱涵施工期間不能中斷地鐵的營運，因此控制箱涵施工對地鐵結(jié)構(gòu)及軌道的影響極為重要。本工程采用以下施工措施：

（1）設(shè)置降水井，基坑開挖前對地下水進行管井降水，控制地鐵附近的地下水位于地鐵結(jié)構(gòu)底板以下，避免基坑開挖后造成地鐵結(jié)構(gòu)上浮。

（2）盡量減小基坑開挖面積，減小對地鐵結(jié)構(gòu)的影響范圍，采用陡坡率網(wǎng)噴護面放坡開挖?？拥组_挖至距離地鐵結(jié)構(gòu)1 m時，采用人工挖除剩余土體，避免對地鐵防水結(jié)構(gòu)層造成破壞。

（3）地鐵圍護樁破除采用繩鋸，減小施工振動對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

（4）箱涵結(jié)構(gòu)施工完成后，地鐵范圍內(nèi)采用低標(biāo)號混凝土回填，避免振動碾壓。

3.3 對地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

箱涵修建對地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)變形預(yù)測評估，采用巖土數(shù)值模擬分析軟件Midas GTS NX進行計算分析，如圖6所示。

圖6 計算模型

箱涵修建分為施工階段和使用階段。施工階段對地層進行降水和對地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)上方的土體進行卸載為最不利工況。使用階段箱涵結(jié)構(gòu)自重、覆土重及箱涵內(nèi)部河水自重為有利荷載。取最不利工況分析，即施工階段降水和基坑開挖階段進行驗算。

計算主要關(guān)注由于降水和基坑開挖導(dǎo)致地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)覆土減少，從而引起的地鐵結(jié)構(gòu)位移及變形情況。將預(yù)測結(jié)果與規(guī)范要求的控制值進行對比分析，從而對區(qū)間的結(jié)構(gòu)安全性進行評估。

計算結(jié)果表明，施工降水方案引起區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降約1.0 mm，小于10 mm（見圖7）；開挖引起地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)最大隆起位移為5.1 mm，小于10 mm（見圖8），引起地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.5 mm，小于10 mm（見圖9）；管片整體曲率半徑約為160 000 m，大于15 000 m。各項指標(biāo)都滿足要求。

圖7 降水引起的地鐵結(jié)構(gòu)沉降位圖（單位：mm）

圖8 基坑開挖引起的地鐵結(jié)構(gòu)隆起圖（單位：mm）

圖9 基坑開挖引起的地鐵結(jié)構(gòu)水平位移圖（單位：mm）

4 既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測方案

工程采用了遠程自動化實時監(jiān)測和人工監(jiān)測相結(jié)合的方案。對地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)、軌道的豎向和水平位移采用了自動化監(jiān)測，對變形縫差異沉降采用了人工測量。監(jiān)測點斷面布置如圖10所示。

圖10 監(jiān)測點位斷面布置圖

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

選取基坑降水、基坑開挖完、箱涵結(jié)構(gòu)施工完、回填并停止降水4個工況的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

基坑降水達到要求降深時，最大豎向位移監(jiān)測值為-0.9 mm（下沉）?；娱_挖完成時，最大豎向位移監(jiān)測值為4.1 mm（隆起），最大水平位移監(jiān)測值為1.1 mm。箱涵結(jié)構(gòu)施工完成時，最大豎向位移監(jiān)測值為2.6 mm（隆起），最大水平位移監(jiān)測值為0.9 mm。回填完成并停止降水后，最大豎向位移監(jiān)測值為1.7 mm（隆起），最大水平位移監(jiān)測值為0.8 mm。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，各個工況下地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)監(jiān)測點處的位移值均滿足控制值要求。在最不利工況下，豎向位移監(jiān)測值小于計算值，水平位移監(jiān)測值大于計算值。經(jīng)分析，水平位移值大于計算值是由于施工現(xiàn)場基坑不對稱開挖、施工機械不對稱擺放、混凝土不對稱澆筑等原因引起的。

5 結(jié)語

（1）新建箱涵上跨既有地鐵線路時，應(yīng)根據(jù)規(guī)范和管理部門實際要求制定相應(yīng)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，并采取相應(yīng)的施工措施控制地鐵結(jié)構(gòu)的變形，保障地鐵營運的安全。

（2）基坑施工前應(yīng)降低地下水位，避免基坑開挖卸載引起地鐵結(jié)構(gòu)上浮?；娱_挖時，應(yīng)盡量縮小開挖面積，減小對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

（3）采用有限元計算軟件對最不利工況進行預(yù)測分析，驗證設(shè)計方案的可行性，并評估施工安全性。

（4）通過對現(xiàn)場監(jiān)測值進行分析對比，數(shù)值模擬計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果的發(fā)展趨勢基本一致。豎向位移監(jiān)測值小于計算值，但水平位移監(jiān)測值大于計算值，說明施工現(xiàn)場的不對稱荷載控制是施工控制的重點。