明挖地道上跨既有盾構(gòu)隧道施工措施研究

梅 嬿 婕

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200125)

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明挖地道上跨既有盾構(gòu)隧道施工措施研究

梅 嬿 婕

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200125)

對(duì)擬建人行通道平行通過(guò)軌道交通區(qū)間的施工力學(xué)行為進(jìn)行了研究，分析了原狀土與加固后土體環(huán)境下人行通道開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的影響范圍，提出采用MJS加固運(yùn)營(yíng)軌道交通區(qū)間周?chē)馏w、半逆作法實(shí)施人行通道的施工方法，以達(dá)到運(yùn)營(yíng)隧道安全的目的。

既有隧道，土體加固，基坑開(kāi)挖，鉆孔咬合樁

0 引言

隨著城市交通的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的大城市逐漸形成以軌道交通和地面公共交通為主、其他交通方式為輔的立體交通體系。然而既有的建(構(gòu))筑物與地下交通設(shè)施為交通系統(tǒng)的進(jìn)一步完善提出了難題。當(dāng)受到既有建筑的限制，須將新建隧道布置于既有隧道附近時(shí)，新建隧道的開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致既有隧道的變形，可能會(huì)影響既有隧道的安全運(yùn)營(yíng)。因此，在確定新建隧道的布置方案時(shí)，須研究新建隧道對(duì)既有隧道的安全性的影響，并需根據(jù)具體情況選擇合適的加固方案對(duì)既有隧道進(jìn)行加固。本文以一在既有軌道交通隧道附近平行穿越的地下人行通道為例，探討了對(duì)既有隧道周?chē)馏w加固方法的選擇，采用數(shù)值方法分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及鄰近建筑物的沉降變化規(guī)律，并分析了所選擇加固方法的有效性，以期為此類(lèi)工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

新建曹楊路人行通道位于上海市西北部的普陀區(qū)，工程實(shí)施范圍南起芝川路以南，北至桃浦路以北，連接真如城市副中心核心區(qū)的“日”字形人行通道與鐵路上海西站南廣場(chǎng)地下空間，全長(zhǎng)約758.8 m。

11號(hào)線地鐵區(qū)間隧道從上海西站向東南延伸，過(guò)桃浦路后走向大致與曹楊路平行，沿曹楊路東側(cè)向南接入銅川路站。新建人行通道在曹楊路、桃浦路丁字路口以南與11號(hào)線地鐵區(qū)間疊交且位于地鐵區(qū)間上方，在11號(hào)線側(cè)上方沿曹楊路并行通過(guò)。

綜合考慮曹楊路現(xiàn)狀、規(guī)劃市政管線以及在運(yùn)營(yíng)的地鐵11號(hào)線區(qū)間線位等情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇圍護(hù)實(shí)施期間對(duì)地層影響小、圍護(hù)剛度大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型。鉆孔咬合樁帶全回轉(zhuǎn)的鋼套筒，樁基施工時(shí)對(duì)地層的擾動(dòng)極小，且其排樁間無(wú)間隙、剛度大。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本工程基坑開(kāi)挖深度在11 m以?xún)?nèi)，選用鉆孔咬合樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)分離。并在桃浦路、曹楊路路口與軌道交通區(qū)間平面疊交段(如圖1所示)采用門(mén)形加固、部分逆作以及分小塊施工方案，以減少對(duì)運(yùn)營(yíng)線路的影響。

擬建場(chǎng)地位于真如副中心的中心位置，場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦，地貌形態(tài)單一，屬濱海平原地貌類(lèi)型。根據(jù)土性和成因類(lèi)型可分8個(gè)層次，其中第②層、第⑤層、第⑦層和第⑧層各分若干個(gè)亞層，地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 場(chǎng)地土層物理力學(xué)性質(zhì)

擬建場(chǎng)地地下水主要為淺部土層中的潛水，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水與地表徑流。潛水位埋深隨季節(jié)、氣候等因素而有所變化，潛水水位埋深為1.20 m～1.90 m(相應(yīng)標(biāo)高為1.26 m～2.13 m)。

2 地層加固方案

表2 常見(jiàn)地層加固措施

為避免基坑內(nèi)軟弱土體的破壞，對(duì)地基土進(jìn)行土體固結(jié)，能有效提高土體的抗壓強(qiáng)度和土體的側(cè)向抗力，保證工程結(jié)構(gòu)或鄰近結(jié)構(gòu)不致發(fā)生超過(guò)允許的沉降或位移。常見(jiàn)的地層加固措施有注漿、高壓旋噴、深層攪拌、凍結(jié)、MJS等方法。表2對(duì)幾種常用的底層加固措施進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述。

MJS工法的加固原理見(jiàn)圖2。

本地道穿越11號(hào)線區(qū)間隧道上方時(shí)，圍護(hù)插入深度受限；施工中土體加固時(shí)，由于施工現(xiàn)場(chǎng)狹小，場(chǎng)地內(nèi)存在諸多地下管線，三軸攪拌樁施工困難，且翻交施工需要盡快恢復(fù)道路。為克服以上困難，綜合比選，決定采用MJS工法對(duì)地道基坑進(jìn)行土體加固，在地鐵區(qū)間兩側(cè)以及上方1.5 m范圍以外實(shí)施厚度5 m的門(mén)字形地基加固，地基加固至地鐵區(qū)間底部5 m。為了減少開(kāi)挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，在頂板下方2 m進(jìn)行地基加固。土體加固范圍見(jiàn)圖3。

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型

運(yùn)用有限元軟件Plaxis對(duì)基坑及其鄰近軌道交通建立數(shù)值模型，見(jiàn)圖4。模型寬80 m，高33 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為1 000 mm的鉆孔咬合樁，模型中圍護(hù)樁采用板單元進(jìn)行模擬。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)三道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，第二道、第三道支撐為鋼支撐，模型中支撐采用彈簧來(lái)模擬，支撐剛度根據(jù)不同的材料性質(zhì)分別輸入。11號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用板單元模擬。圍護(hù)與土體間設(shè)置界面單元用來(lái)模擬結(jié)構(gòu)與土的相互作用。土體材料模型運(yùn)用摩爾—庫(kù)侖模型，土層參數(shù)見(jiàn)表1。模型底部施加完全固定約束，在兩側(cè)豎直的邊界施加滑動(dòng)約束(ux=0,uy自由)。

3.2 加載工況

分別對(duì)原狀土體環(huán)境與加固土層環(huán)境進(jìn)行模擬。對(duì)加固土層環(huán)境進(jìn)行模擬時(shí)，采用如圖3所示的土體加固范圍，加固后土體的粘聚力及摩擦角系數(shù)分別取40 kPa和40°。兩種環(huán)境的施工模擬工況相同如下所示：

工況0：土體初始應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算，不計(jì)初始位移；

高鐵會(huì)促進(jìn)民航票價(jià)的穩(wěn)定，二者之間相互制約，相互競(jìng)爭(zhēng)，有利于價(jià)格的均衡。高鐵有效改善了民航運(yùn)輸業(yè)的壟斷性，有利于促進(jìn)民航降低票價(jià)，優(yōu)化服務(wù)。高鐵的運(yùn)營(yíng)，可以采取針對(duì)老年乘客的特殊服務(wù)策略，更多地考慮老人的感受，也可以進(jìn)行早高峰晚高峰和其余時(shí)間的差別定價(jià)，可以針對(duì)女性旅客開(kāi)設(shè)女性候機(jī)室等來(lái)優(yōu)化服務(wù)[2]。

工況2：11號(hào)線隧道管片施工，不計(jì)施工產(chǎn)生的初始位移；

工況3：布置圍護(hù)結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖至地面下1 m；

工況4：在地面下0.5 m處架設(shè)第一道鋼筋混凝土支撐,繼續(xù)開(kāi)挖至地面以下5 m；

工況5：在地面下4 m處架設(shè)第二道鋼支撐，繼續(xù)開(kāi)挖至地面以下8 m；

工況6：在地面下7 m處架設(shè)第三道鋼支撐，繼續(xù)開(kāi)挖至地面以下10 m；

工況7：在地面下10 m處澆筑1 m厚的鋼筋混凝土底板。

原狀土體環(huán)境的施工模擬結(jié)果見(jiàn)圖5，加固土層環(huán)境的施工模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖5可知，在原狀土體環(huán)境中施工時(shí)，在施工到工況3時(shí)，在開(kāi)挖面位置結(jié)構(gòu)的位移達(dá)到最大為3.4 mm。在施工到工況4時(shí)，在開(kāi)挖面位置結(jié)構(gòu)的位移達(dá)到最大為7.2 mm。在施工到工況5時(shí)，位于基坑底的11號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)右上方的土體最先達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)隧道周邊土體完全破壞。由圖6可知，在對(duì)土層進(jìn)行加固后，在施工到工況5時(shí)，11號(hào)線隧道管片原結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞，最大位移依然發(fā)生在開(kāi)挖面位置，值為19 mm。在施工到工況6時(shí)，在開(kāi)挖面位置結(jié)構(gòu)的位移減小至6.2 mm。

由模擬可知，在基坑周邊土體沒(méi)有進(jìn)行任何加固的情況下，基坑開(kāi)挖還未至預(yù)期深度時(shí)，基坑底部土體已經(jīng)完全破壞，而采用MJS工法對(duì)土體進(jìn)行加固后，基坑開(kāi)挖可以順利至預(yù)計(jì)深度，可以保證既有隧道的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以一在既有隧道附近平行穿越的地下人行通道為例，采用數(shù)值方法模擬了在原狀土體環(huán)境中開(kāi)挖過(guò)程與進(jìn)行土層加固環(huán)境中的開(kāi)挖過(guò)程。通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及鄰近建筑物的沉降變化規(guī)律的分析，得出了如下結(jié)論：

1)在既有隧道附近進(jìn)行土體開(kāi)挖時(shí)，由于土壓力的釋放，會(huì)造成既有隧道周邊土體破壞，既有隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形；

2)MJS工法可以有效加固隧道周?chē)馏w，可以保證既有隧道上方人行通道基坑的順利開(kāi)挖，同時(shí)對(duì)既有隧道的影響降到最小。

[1] 劉建航，侯學(xué)淵．盾構(gòu)隧道[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1991．

[2] Peck R．B.Deep excavations and tunneling in soft ground，State of the Art Report[J]．Ptoc.7thint．Conf On soil Mechanics and Foundation Engineering,Mexico City,1969(6):225-290．

[3] 曾小清，張慶賀．隧道施工過(guò)程的解析與數(shù)值結(jié)合方法[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(1):14-17．

[4] 仇文革．深圳地鐵重疊隧道近接施工影響的數(shù)值模擬分析[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2000(6):90-92.

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[6] 張 帆.二種先進(jìn)的高壓噴射注漿工藝[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010(32):167-168.

Studying the construction method of the cut and cover tunnel overcrossing the existing shield tunnel

Mei Yanjie

(Shanghai Urban Construction Design & Research Institute(Group) Co., Ltd， Shanghai 200125， China)

Studying the mechanics behavior of new tunnel overcrossing the existing tunnel parallelly, analyzing and comparing the deformation of existing structure when the surrounding soil will be strengthen. In order to make sure the existing tunnel’s safety, the surrounding soil will be strengthen within MJS method and half reverse building method will be used.

existing tunnel, soil strength, pit excavation, drilled bite pile

1009-6825(2017)16-0170-03

2017-03-13

梅嬿婕(1982- )，女，工程師

U455.43

A