市政管線近距離上跨既有地鐵車站影響分析及保護(hù)措施

龔宇翔

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司鄭州分院，河南 鄭州）

由于近年極端天氣頻發(fā)，特別是鄭州7.20 暴雨后，城市排水工程進(jìn)行整體提升改造，由于城市軌道交通車站基本位于市政道路十字交叉口，市政排水工程沿市政道路敷設(shè)，后續(xù)新建或改造相應(yīng)排水工程與既有地鐵的立體交叉數(shù)量也日漸增多，因此排水工程在上跨或鄰近地鐵進(jìn)行施工時對地鐵結(jié)構(gòu)變形影響的預(yù)測及分析至關(guān)重要。新建排水工程施工伴隨著基坑的開挖和回填,會導(dǎo)致地鐵周圍土層加載和卸載，導(dǎo)致周邊土層發(fā)生變形，從而導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。通過數(shù)值模擬分析鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵鄰近地鐵施工對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及遠(yuǎn)期抗浮等方面的影響，進(jìn)而將風(fēng)險因素反饋設(shè)計單位，設(shè)計過程中采取針對性措施進(jìn)行風(fēng)險控制，進(jìn)而指導(dǎo)后續(xù)施工，盡可能降低外部作業(yè)對地鐵結(jié)構(gòu)及運(yùn)營的影響，對于后續(xù)市政工程涉及軌道交通保護(hù)外部作業(yè)具有十分重要的借鑒意義。本論文以鄭州市管城回族區(qū)鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵上跨軌道交通規(guī)劃16 號線停車線（已與4 號線姚莊站同期實(shí)施）項目作為研究題材，分析大跨度雨水涵外部作業(yè)在對地鐵結(jié)構(gòu)的位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、防水及遠(yuǎn)期抗浮等方面的影響，同時依據(jù)規(guī)范及地方軌道交通保護(hù)條例提出控制外部作業(yè)風(fēng)險、保障運(yùn)營安全的措施建議。

1 項目概況

1.1 項目介紹

依據(jù)鄭州鼎力街（文治路-靈動路）管線規(guī)劃、鄭州金岱科創(chuàng)城區(qū)域雨水系統(tǒng)規(guī)劃圖，鼎力街下方規(guī)劃有2-3.0×1.4 m 雨水涵，需要轉(zhuǎn)輸鼎瑞街和鼎昌街及相交支路的雨水，匯水面積約112.6 ha，現(xiàn)狀文德路、文達(dá)路雨水涵已建，鼎瑞街雨水入河口2-1.6×1.6 m 雨水涵已建成，且不具備調(diào)整雨水涵路由及高度的條件。通過調(diào)查，鼎力街在強(qiáng)降雨時期存在較嚴(yán)重積水問題。為解決片區(qū)排水及下游出路問題，急需實(shí)施鼎力街（文治路-靈動路）段規(guī)劃雨水涵。

新建鄭州鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵與軌道交通規(guī)劃16 號線停車線十字交叉，新建鼎力街雨水涵上跨軌道交通規(guī)劃16 號線停車線。雨水涵上跨規(guī)劃16 號線停車線平面圖見圖1。

圖1 雨水涵上跨軌道交通規(guī)劃16 號線停車線平面圖

1.2 規(guī)劃16 號線停車線概況

規(guī)劃16 號線停車線為地下兩層雙跨框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)寬度10.7 m，高度14.2 m。采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用D1000@1300mm 鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐。雨水涵上跨位置16 號線停車線施工期間設(shè)置鋼便橋保障交通，鋼便橋范圍樁頂冠梁尺寸1 000×1 000 mm，根據(jù)設(shè)計文件，停車線圍護(hù)樁未參與抗浮，考慮雨水涵施工完成后，停車線結(jié)構(gòu)上部覆土荷載減小，為滿足結(jié)構(gòu)抗浮要求，16 號線停車線兩側(cè)共8 根圍護(hù)樁需錨入雨水涵結(jié)構(gòu)。由于車站整體架構(gòu)較長，16 號線停車線結(jié)構(gòu)與4 號線姚莊站結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置1 道變形縫。上跨位置雨水涵距離停車線結(jié)構(gòu)頂板防水保護(hù)層外皮0.29 m，與停車線圍護(hù)樁樁頂冠梁沖突，雨水涵實(shí)施期間需對停車線冠梁進(jìn)行鑿除。根據(jù)停車線結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查情況，停車線結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)破損、孔洞與蜂窩麻面等情況，右線側(cè)墻有明顯濕漬情況，底板有明顯積水；左線側(cè)墻偶見濕漬情況，底板局部位置積水。

1.3 雨水涵上跨規(guī)劃16 號線停車線位置關(guān)系

新建鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵以雙孔框架結(jié)構(gòu)形式上跨規(guī)劃16 號線停車線結(jié)構(gòu)，上跨角度為90°，穿越16 號線停車線結(jié)構(gòu)長度為10.7 m，與停車線結(jié)構(gòu)凈距僅0.29 m，同時需破除停車線圍護(hù)樁頂部冠梁。根據(jù)地勘報告顯示，上跨段雨水涵地層為回填層。雨水涵明挖采用分塊施工、兩端對稱、由遠(yuǎn)及近開挖施工方法，在運(yùn)營天窗期采用靜力切割配合局部剔除混凝土鑿除與雨水涵沖突部分冠梁。圖2 所示為交叉區(qū)域剖面位置關(guān)系。

圖2 雨水涵上跨規(guī)劃16 號線停車線剖面位置關(guān)系圖

1.4 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件概況

本工程地處鄭州市東南部，所在地區(qū)位于黃河沖洪積平原西南部的邊緣地帶，地形地貌屬與黃河沖積平原，地形較平坦，地形地貌條件較簡單，沿線地層上部為新生代第四系地層為主，巖性為黃河沖積物，主要為粉土、砂類土等。根據(jù)地勘鉆探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)資料，地基土按巖性及力學(xué)特征分層后，從上到下分層描述分別為：1 填筑土（Q4ml）、2 細(xì)砂（Q4al+pl）、2-1 粉土（Q4al+pl）、3 粉土（Q4al+pl）、4 細(xì)砂（Q4al+pl）層。

場地內(nèi)地下水為第四系覆蓋層孔隙水。場地地下水埋深約10-13 m，位于規(guī)劃16 號線停車線頂部以下約6.9 m，上跨處停車線結(jié)構(gòu)位于細(xì)砂、黏質(zhì)粉土層。

2 雨水涵明挖上跨對規(guī)劃16 號線停車線影響分析

2.1 近距離明挖上跨地鐵結(jié)構(gòu)風(fēng)險分析

明挖基坑近距離上跨地鐵結(jié)構(gòu)，如措施不當(dāng)，容易造成車站結(jié)構(gòu)沉降、損傷，影響線路運(yùn)營安全[1]。根據(jù)規(guī)范要求，本工程開工前需依據(jù)專業(yè)能力采取有限元分析軟件分析外部作業(yè)對既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響范圍及影響程度，根據(jù)分析結(jié)果，通過采取壓重、卸載、撐頂、加固等措施，并通過加強(qiáng)監(jiān)測，及時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)，驚醒動態(tài)調(diào)整，使外部作業(yè)對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)險可控。

通過分析本項目的對既有軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)險主要為：（1） 開挖卸載導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)覆土荷載減小，進(jìn)而引起地鐵結(jié)構(gòu)上浮，上浮超過規(guī)范要求后危及運(yùn)營安全；同時由于不均勻受力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫；（2） 雨水涵施工過程中需切除地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂冠梁，切除過程中可能產(chǎn)生振動，進(jìn)而破壞結(jié)構(gòu)外貼防水層，引起地鐵結(jié)構(gòu)滲漏水；同時振動噪聲易造成乘客不適，降低運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。（3） 雨水涵基底距離地鐵結(jié)構(gòu)頂部防水層近0.14 m 左右，開挖過程中極易造成防水保護(hù)層及防水層破壞。根據(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）、《影響城市軌道交通外部作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ41T262-2021 中規(guī)定：外部活動對軌道交通既有結(jié)構(gòu)的附加影響預(yù)測，應(yīng)根據(jù)兩者之間的空間關(guān)系、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，并結(jié)合軌道交通既有結(jié)構(gòu)及設(shè)施的現(xiàn)狀、外部活動的規(guī)模和施工方法等因素[2]，根據(jù)地鐵結(jié)構(gòu)的接近程度和外部作業(yè)的工程影響分區(qū)綜合確定。

本工程新建雨水涵橫穿規(guī)劃16 號線停車線結(jié)構(gòu)，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T202-2013）、《影響城市軌道交通外部作業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ41T262-2021 判定，擬建雨水涵明挖施工對軌道交通16 號線停車線結(jié)構(gòu)外部作業(yè)影響等級為特級，見表1。

表1 外部作業(yè)影響等級劃分

2.2 數(shù)值模擬分析外部作業(yè)對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響

采用定量分析的方法進(jìn)一步預(yù)測雨水涵明挖上跨對規(guī)劃16 號線停車線的影響范圍及影響大小，對交叉區(qū)域運(yùn)用巖土工程計算軟件Midas-GTS-NX 建立三維模型，模擬計算新建雨水涵明挖施工過程對規(guī)劃16 號線停車線結(jié)構(gòu)變形和受力的影響[3]。土體采用“修正莫爾-庫倫”彈塑性模型模擬，既有車站板墻結(jié)構(gòu)及新建隧道結(jié)構(gòu)均采用線彈性面單元模型模擬。邊界條件對計算土體的底面約束豎向z 的位移，側(cè)面分別約束橫向x、縱向y 的位移，地表為自由面[4]。施工工況按照外部作業(yè)施工工序進(jìn)行各工序的模擬計算，通過有限元軟件的“激活單元、鈍化單元、改變網(wǎng)格屬性”等方法模擬基坑開挖、結(jié)構(gòu)施工、覆土回填等各階段對軌道交通結(jié)構(gòu)的影響。數(shù)值分析計算模型見圖3。

圖3 三維有限元數(shù)值分析模型

根據(jù)數(shù)值分析模擬計算結(jié)果，雨水涵明挖上跨施工引起的規(guī)劃16 號線停車線變形主要表現(xiàn)為沉降位移，明挖上跨施工結(jié)束后引起的規(guī)劃16 號線停車線結(jié)構(gòu)最大沉降值為1.07 mm，位于交叉位置下方停車線結(jié)構(gòu)北側(cè)頂板處；對停車線結(jié)構(gòu)水平向影響相對較小，為-0.031 mm；圖4 所示為停車線結(jié)構(gòu)位移云圖。根據(jù)規(guī)范及鄭州市相關(guān)軌道交通管理辦法，軌道交通結(jié)構(gòu)的位移限值為±5 mm，數(shù)值模擬計算位移均滿足相關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，本項目臨近既有地鐵施工方案可行，對停車線結(jié)構(gòu)的影響整體可控。

圖4 雨水涵明挖施工引起停車線結(jié)構(gòu)豎向、水平向位移變形云圖

3 雨水涵明挖上跨規(guī)劃16 號線停車線保護(hù)措施及實(shí)施效果

為最大限度的保證上跨處地鐵結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全，根據(jù)定性及定量分析結(jié)果，在雨水涵實(shí)施中需采取以下防護(hù)措施，進(jìn)一步降低工程實(shí)施風(fēng)險[5]：

（1） 交叉范圍冠梁采用靜力切割配合局部剔除混凝土，破除作業(yè)在運(yùn)營天窗期施工，同時基底以上500 mm 范圍內(nèi)采用人工開挖，避免因施工產(chǎn)生較大震動對結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)外包防水產(chǎn)生破壞影響。

（2） 加強(qiáng)上跨范圍雨水涵結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制，保證雨水涵主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。雨水涵結(jié)構(gòu)變形縫設(shè)置應(yīng)避開軌道交通結(jié)構(gòu)平面投影范圍，并嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙要求進(jìn)行變形縫施工；雨水涵使用期間，產(chǎn)權(quán)單位應(yīng)定期對雨水涵進(jìn)行檢修，確保雨水涵使用期間無滲漏水情況發(fā)生，避免因滲漏水改變軌道交通結(jié)構(gòu)周圍土體結(jié)構(gòu)性質(zhì)，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對停車線結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。

（3） 施工嚴(yán)格結(jié)合水文地質(zhì)情況完善明挖施工控制措施，合理制定施工工序?；娱_挖過程中，控制超挖，并做好基坑內(nèi)排水，在雨季施工時更應(yīng)加強(qiáng)基坑內(nèi)積水抽排，并做好基坑頂?shù)孛娴呐?截)水系統(tǒng)及局部的地面硬化措施，以防地面水滲漏，采取合理有效的排水措施，以確?；影踩?。同時應(yīng)提前備好沙袋等應(yīng)急物資，以應(yīng)對水位上漲引起的結(jié)構(gòu)上浮。上跨施工期間安排專人對規(guī)劃16 號線結(jié)構(gòu)影響區(qū)域現(xiàn)場盯控。

（4） 雨水涵結(jié)構(gòu)施工完成后，基坑回填壓實(shí)選用輕型壓實(shí)機(jī)具，禁止采用大型震動壓實(shí)設(shè)備。

（5） 加強(qiáng)施工過程中變形監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)及時進(jìn)行整理和分析，及時報告施工主管，使監(jiān)測成果能及時指導(dǎo)施工。出現(xiàn)異常時能成為分析問題和采取相應(yīng)措施的主要依據(jù)。為此，要求施工單位嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行監(jiān)測工作，不得有任何延誤。當(dāng)達(dá)到監(jiān)測表中預(yù)警值時，立即停止施工，并采取有效措施。

4 結(jié)論

（1） 定性分析結(jié)果表明，新建鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵近距離上跨規(guī)劃16 號線停車線結(jié)構(gòu)外部作業(yè)風(fēng)險等級判定為特級；根據(jù)數(shù)值分析計算結(jié)果，采用明挖法上跨對既有地鐵結(jié)構(gòu)影響在可控范圍內(nèi)。

（2） 在采取交叉范圍冠梁靜力切割、上跨范圍雨水涵結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制、合理制定施工工序、基坑回填及壓實(shí)要求、加強(qiáng)變形監(jiān)測等保障措施后，可滿足新建雨水涵近距離上跨地鐵結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全。

（3） 根據(jù)雨水涵外部作業(yè)期間第三方監(jiān)測單位對停車線結(jié)構(gòu)的監(jiān)測結(jié)果，停車線結(jié)構(gòu)在雨水涵施工期間最大沉降值為2.2 mm，滿足相關(guān)規(guī)范3-10 mm 限值要求。