城際鐵路暗挖隧道施工對城市立交變形影響分析

柴聚奎

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著城市交通建設的快速發展，地下線路不可避免地與地上建筑物發生沖突。如地下隧道的施工會對地上的建筑物及橋梁產生影響，尤其是對處于運營中的交通設施影響更大。以下通過工程實例，對暗挖隧道施工對城市立交的影響進行變形分析，可為后續相關工程的順利實施提供借鑒。

1 工程概況

莞惠城際鐵路新客運南-西湖區間隧道在GDK 96+600～GDK96+800里程范圍內下穿鵝嶺立交橋，其中部分樁基鄰近或進入區間隧道施工范圍(見圖1)。

鵝嶺立交橋建成于1994年，是一座三層全互通立交橋。其中，地面一層，空中兩層。鵝嶺立交橋樁基較多，各線橋墩基礎均為φ1 500的人工挖孔樁(鉆孔灌注樁)，大部分基礎為端承樁，個別為摩擦樁。位于隧道開挖范圍內的樁基共有11根，位于隧道開挖范圍之外但距離較近的樁基共有23根(見圖2、圖3)。

圖1 隧道與樁基平面關系示意

圖2 隧道與樁基縱剖面關系示意(GDK96+600～700)

圖3 隧道與樁基縱剖面關系示意(GDK96+700～800)

本段區間為雙洞單線暗挖隧道，隧道斷面為馬蹄形，斷面尺寸為8.9 m×9.65 m(寬×高)，線間距約為15.3 m。隧道頂埋深約30.5 m。區段范圍內自上而下依次為素填土，粉質黏土，淤泥質粉質黏土，斷層碎裂巖及全、強、弱風化花崗閃長巖。斷層碎裂巖主要發育在斷層帶內，原巖為花崗閃長巖，細粒花崗結構，塊狀構造，按風化程度可分為全風化和強風化。隧道主要穿越地層為強風化花崗閃長巖及斷層碎裂巖，地下水位高程為11.41～32.09 m。該段隧道采用臺階法施工，對于穿斷層破碎帶區域，采用“全斷面注漿+CD法”施工。

2 數值模擬

2.1 MIDAS/GTS軟件概述

MIDAS/GTS[5]是一款巖土與隧道結構工程有限元分析軟件，基本涵蓋了巖土方面所有的分析計算功能，包括靜力分析、施工階段分析、穩態流分析、固結分析、邊坡穩定和動力分析等。

2.2 模型建立

根據隧道的埋深和洞徑，有限元模型橫向寬度取120 m，縱向取50 m，豎向取50 m，樁基采用較密的網格劃分。計算中對立交進行簡化處理，將上部結構自重和外部荷載以均布荷載的形式作用在樁基上。由于樁基數量較多，對兩種地質條件分別選用幾種樁基進行模擬:①非斷裂帶區域選取B2(雙線中間)、B4(隧道正上方)、B7(隧道外10 m)、B9-1(隧道外20 m)。②斷裂帶區域選取A48-1(雙線中間)、Z11-2(隧道正上方)、Z10-2(隧道外10 m)、Z47-1(隧道外20 m)、A46-1(隧道外45 m)。整體模型透視圖見圖4。

圖4 整體模型透視

2.3 參數選取

結合現場地質資料，其物理力學參數見表1、表2。

表1 非斷裂帶區域主要地層物理力學參數

表2 斷裂帶區域主要地層物理力學參數

3 計算結果分析

根據有限元分析結果，各樁基的豎向變形見圖5～圖13、表3。

圖5 樁基B2(雙線中間)

圖6 樁基B4(隧道正上方)

圖7 樁基B7(隧道外10 m)

圖8 樁基B9-1(隧道外20 m)

圖9 樁基A48-1(雙線中間)

圖10 樁基Z11-2(隧道正上方)

圖11 樁基Z10-2(隧道外10 m)

圖12 樁基Z47-1(隧道外20 m)

圖13 樁基A46-1(隧道外45 m)

非斷裂帶樁基編號樁底沉降值/mm斷裂帶樁基編號樁底沉降值/mmB2(雙線中間)18.1A48-1(雙線中間)25.6B4(隧道正上方)17.3Z11-2(隧道正上方)24.7B7(隧道外10m)12.9Z10-2(隧道外10m)18.3B9-1(隧道外20m)7.1Z47-1(隧道外20m)9.9A46-1(隧道外45m)4.5

由分析可知，各個樁基樁端的沉降小于樁頂，從上到下依次遞減，其差值在1 mm范圍內。樁基靠近隧道一側的沉降大于另一側，依次遞減，其差值在1 mm范圍內。受兩條線路的影響，線路中間的樁基沉降最大(非斷裂帶區域為18 mm、斷裂帶區域為25 mm)，其次是隧道正上方位置(非斷裂帶區域為17 mm、斷裂帶區域為24 mm)，離線路越遠沉降越小，30 m范圍以外的沉降均在8 mm以內。斷層區域的樁基沉降量較非斷層區域大1/3左右。

4 處理方案

4.1 具體處理方案

(1)非斷裂帶區域

區間隧道范圍內的樁基采用深孔注漿(雙排梅花形、間距80 cm布置注漿孔，漿液采用1∶1水泥漿，深度入微風化層0.5 m)，對樁周圍土層和樁底土層進行加固。

區間隧道范圍之外30 m內的樁基，沿區間外側采用深孔注漿(雙排梅花形、間距80 cm布置注漿孔，漿液采用1∶1水泥漿，深度入微風化層0.5 m)，使鄰近區間隧道的樁基與區間隧道隔離。

(2)斷裂帶區域

在隧道開挖平面范圍之內的樁基，采用“托換梁+鋼管樁”(原橫系梁一周植筋施作1 m×1.5 m托換梁，原樁周圍布置8～10根φ300 mm的鋼管樁)、“擴大承臺+鋼管樁”進行加固(沿樁基一圈植筋施作3 m×3 m托換梁，原樁周圍布置8～10根φ300 mm的鋼管樁)。

隧道開挖平面范圍之外30 m內的樁基：①對于相對獨立的樁基，采用周邊施作兩圈封閉(圓形布置)袖閥管注漿的方式進行保護；②對于兩條通過系梁連接的樁基，采取兩排封閉(方形布置)袖閥管注漿的方式進行保護(注漿相關參數為：間距80 cm布置注漿孔，漿液采用1∶1水泥漿，深度入微風化層0.5 m)。

4.2 處理后計算結果

根據計算結果可以看出，采用以上樁基加固措施后，樁基沉降得到有效控制，最大沉降值為6.6 mm，滿足立交的沉降限值(如圖14～圖16)。

圖14 樁基B2(雙線中間)

圖15 樁基B4(隧道正上方)

圖16 樁基A48-1(雙線中間)

5 監測數據分析

施工過程中，對鵝嶺立交橋墩進行了沉降實時監測。根據監測結果，大部分鵝嶺立交橋墩的沉降量都在允許的控制范圍內，但在斷裂帶區域、隧道范圍30 m外，少量橋墩沉降值超過預警值，監測成果見表4(負值為下沉，正直為上升)。

根據監測數據，超出設計預警值6.4 mm的橋墩有A46，超出設計控制上限值8.0 mm的橋墩有Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、B10(設計要求累計沉降值不超過8 mm，超過80﹪預警)，且這些橋墩仍保持繼續下沉的趨勢。

表4 樁基監測數據 mm

根據下沉橋墩平面位置可以看出，該部分橋墩位于三道岔口交匯處，并且都處于斷裂帶區域，距離隧道最近的為37 m，最遠的為67 m。由于處于斷裂帶區域，該處地層巖性差異大、穩定性差，再加上此處位于三岔口處，車輛密集，導致該區域沉降超過限值。

為保證鵝嶺立交的通行安全，對隧道30 m范圍外累計沉降量較大的橋墩進行加固保護，處理方案為：①對墩身為薄壁墩的A46橋墩采用兩排封閉(方形布置)袖閥管注漿的方式進行加固。②對Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、B10橋墩采用鋼管樁+托換梁的方式進行加固，鋼管樁加固深度應進入弱風化地層。

6 結論

(1)隧道開挖會引起立交橋樁基的沉降，隨著開挖面的遠離，沉降值逐漸減小。對于雙線隧道，雙線中間位置樁基沉降甚至要大于線路正上方位置的沉降。

(2)在隧道開挖引起的樁基沉降中，樁基本身的沉降存在差值，樁端的沉降小于樁頂，從上到下依次遞減，其差值在毫米范圍內。

(3)針對隧道開挖引起的樁基沉降，采用深孔注漿隔離、“托換梁+鋼管樁”、“擴大承臺+鋼管樁”等加固措施可有效控制樁基的變形。

(4)施工過程中應加強監測。受立交使用時間、樁基周邊地層以及上方車輛荷載等多種不確定因素的影響，導致影響范圍外部分樁基沉降量較大，需根據監測結果進行修正補充。

[1] 吳祖標，彭立敏，張忠.某隧道立交橋段臨近施工問題的數值分析[J].采礦技術，2008，8(3)：41-43

[2] 高魏，韓昌瑞，許英姿，等.淺埋暗挖隧道對橋梁基礎的影響分析[J].公路，2012(11)：123-128

[3] 李泓橋.隧道暗挖施工對臨近橋梁樁基礎的影響[D].廣州：廣州大學，2016

[4] 管磊.大斷面城際鐵路隧道近接樁基礎工方案研究[J].四川建筑，2010，30(3)：195-198

[5] 李治.Midas/GTS在巖土工程中應用[M].北京:中國建筑工業出版社，2013

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2005

[7] 姚宣德.淺埋暗挖法城市隧道及地下工程施工風險分析與評估[D].北京：北京交通大學，2009

[8] 安建永.淺埋隧道開挖與既有建筑基礎荷載相互影響的模型試驗和理論計算研究[D].北京：北京交通大學，2009

[9] 張志強，何川.深圳地鐵隧道鄰接樁基施工力學行為研究[J].巖土工程學報，2003，25(2)：204-207

[10] 周誠，周少東，等.城市地鐵隧道區間淺埋暗挖施工地表沉降控制研究[J].勘察科學技術，2015(6)：70-74

[11] 高長軍，丁茂瑞，王琪，等.隧道近接施工對既有橋梁穩定性影響的二維模擬研究[J].中外公路，2010，30(3)：229-233

[12] 崔芳，高永濤，吳順川.斷層影響下隧道噴錨支護效果的數值模擬[J].金屬礦山，2011(6)：25-28