高架橋上跨施工對鄰近運營地鐵隧道變形的影響

榮 露 劉金波

武漢地鐵集團有限公司 湖北 武漢 430030

目前，研究鄰近地鐵隧道或位于地鐵隧道上部基坑開挖對運營地鐵隧道安全影響的學術成果較多，且較多研究集中于在鄰近或上部基坑開挖卸載作用下，運營地鐵隧道結構的應力重分布、計算方法、變形規律和地鐵保護措施等方面。而針對近距離高架橋上跨施工對鄰近運營地鐵隧道影響的理論研究和工程實踐偏少。張超等[1]通過模擬鋼套管的旋進過程，發現當鋼套管旋進到距地鐵隧道頂部5 m時，對地鐵隧道的影響最大。徐濤等[2]通過對緊鄰武漢市地鐵3號線區間隧道的龍陽大道高架橋橋臺樁基施工過程進行模擬分析，發現橋樁施工對地鐵隧道初支結構的受力有一定影響，史世雍等[3]通過考慮隧道等效剛度，推導出深層攪拌樁施工引起鄰近地鐵隧道變形的計算方法，并提出采用減少每次連續成樁數量、先在隧道上方進行深層攪拌樁加固等措施可有效控制隧道變形。徐云福等[4]對試樁過程中鄰近地鐵隧道的豎向位移和水平位移進行監測，發現管片以發生水平位移為主。丁智等[5]基于運營地鐵隧道存在裂縫、滲漏等結構病害，認為采用先鉆孔再埋設套管的傳統施工工藝不可行，而采用全套管鉆孔灌注樁施工（套管不拔除）對地鐵隧道影響較小。

為有效掌握軌道交通運營線路保護區外部作業對軌道交通的影響，適時采取措施確保軌道交通結構與運營安全，本文依托某鄰近運營地鐵隧道的城市快速路高架橋工程，對高架橋樁基、承臺及上部結構施工對運營地鐵隧道的變形影響進行研究分析。

1 工程概況

武漢市區某新建快速通道工程在K3+961.70處與已運營地鐵隧道相交，對應地鐵隧道里程分別為左線DK27+351.50，右線DK27+350.44，快速通道與地鐵隧道夾角為75.7°，兩線的平面關系如圖1所示。

圖1 快速通道上跨地鐵線路平面

上跨地鐵隧道處快速通道主線高架橋小里程端橋墩Z25采用4根樁徑2 m的鋼筋混凝土樁，大里程端橋墩Z26采用4根樁徑1.8 m的鋼筋混凝土樁，匝道橋NP0和SP0橋墩采用2根樁徑1.6 m的鋼筋混凝土樁，所有樁基均嵌入灰巖層。Z25橋墩樁基與地鐵隧道最小水平凈距22.0 m，Z26橋墩樁基與地鐵隧道最小水平凈距8.9 m，SP0橋墩樁基與地鐵隧道最小水平凈距5.2 m。

場地處于長江南岸（右岸）Ⅰ級階地與Ⅱ級階地過渡地帶，部分Ⅱ級階地為埋藏型階地，屬沖積波狀起伏平原區。交叉處地鐵隧道位于③4淤泥質黏土層、⑦1黏土層、⑦2粉質黏土層中，下覆16 a灰巖層、16 b肉紅色灰巖層。地鐵隧道頂部埋深10.6 m，采用盾構法施工，外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，管片為C50鋼筋混凝土預制件，厚0.35 m。隧道橫斷面如圖2所示。

圖2 地鐵區間隧道橫斷面

在巖溶發育區域樁基施工前，根據巖土工程勘察報告及高架橋樁基樁位布置圖對溶洞進行預注漿處理，及時填塞溶洞內的空腔，避免樁孔與溶洞、溶槽形成連通狀態，防止樁孔內的護壁泥漿發生流失而導致樁孔坍孔，并在土層及巖體界面形成止水帷幕，阻隔上層滯水與巖溶水的聯系，同時采用水泥漿對巖體上覆砂層進行固化處理。注漿時在水泥漿壓力條件下，使漿液較為均勻地進入溶洞，并在溶洞中均勻擴散。高架橋樁基施工選用振動較小的回旋鉆機，且采用長護筒跟進至基巖面，保證護筒垂直度和樁位準確性，同時嚴格控制泥漿密度、進尺速度等參數。

2 數值模擬分析

利用有限元數值分析軟件ABAQUS建立高架橋及緊鄰地鐵隧道的三維數值模型。綜合考慮土層條件、邊界效應和單元劃分等因素，結合工程經驗，選擇100 m×100 m×35 m（長×寬×高）土體范圍模擬巖土層，樁土間的相互作用采用摩爾-庫侖強度理論，通過對高架橋下部結構重力、孔壁壓力及樁頂軸力的施加模擬高架橋的施工過程。計算模型如圖3所示。

圖3 三維數值模型

在模擬樁基施工之前，首先對數值模型進行初始應力場分析，得到初始地應力，經位移清零后進行樁基施工。具體施工步驟如表1所示。橋梁施工完成時引起的累積豎直和水平變形云圖如圖4所示。

表1 模擬樁基施工步驟

圖4 橋梁施工完成時的累積位移云圖

高架橋施工完成后，隧道拱頂、拱底處豎向位移曲線和隧道拱腰處水平位移曲線如圖5所示。

圖5 橋梁施工完成時累積位移曲線

從圖5可以看出，右線隧道豎向位移范圍為-0.41 mm（向下）至0.24 mm（向上），最大位移差0.65 mm；而左線隧道豎向位移范圍為-1.73 mm（向下）至0.31 mm（向上），最大位移差2.04 mm。右線隧道水平位移范圍為0.01 mm（向右）至0.44 mm（向右），最大位移差0.43 mm；而左線隧道水平位移范圍為-0.17 mm（向左）至0.30 mm（向右），最大位移差0.47 mm。由于左線隧道與右線隧道相比離橋樁更近，因此高架橋施工完成后左線隧道產生的累積變形大于右線隧道。

3 地鐵隧道結構變形監測數據分析

施工過程中對盾構隧道結構變形進行自動化監測，自動監測系統可以在無人值守的情況下，全天24 h連續地自動監測，實時進行數據采集、數據分析、報表輸出及自動報警等。根據高架橋樁基與地鐵隧道的平面位置關系，確定高架橋施工對地鐵隧道的主要影響范圍為左、右線DK27+350～DK27+380，該范圍內每5 m布設一個斷面。主要影響范圍前后各延伸50 m為次要影響范圍，該范圍內每10 m布設一個斷面。地鐵隧道結構監測點埋設情況如圖6所示。

圖6 地鐵隧道監測點埋設示意

監測項目包括區間隧道結構（管片）水平位移、拱頂沉降、道床沉降、水平收斂，根據CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》和相關設計資料確定隧道結構安全控制指標。為保證自動化監測數據更加接近隧道結構變形真實情況，避免地鐵運營時段列車振動對監測數據的影響，每日監測數據提取時間設定在運營天窗期。

高架橋樁基旋挖鉆施工自3月底開始，隧道結構監測同步實施，在7月底完成高架橋樁基及上部結構施工后，隧道結構監測繼續實施了3個月（監測數據趨于穩定）。

從地鐵隧道累積變形曲線（圖7）可以看出，左線水平位移累計最大值1.5 mm（向右），左線拱頂沉降累計最大值-2.2 mm（向下），左線水平收斂累計最大值2.4 mm（變大）。右線水平位移累計最大值-1.7 mm（向左），右線拱頂沉降累計最大值-1.2 mm（向下），右線水平收斂累計最大值1.4 mm（變大）。在高架橋樁基及上部結構施工過程中，左右線隧道水平位移、拱頂沉降、水平收斂呈現先增大后減小趨勢，量值均在1.5 mm左右。監測進入穩定期后，左右線隧道水平位移、拱頂沉降、水平收斂逐漸趨于穩定，累計最大變形量均在2.5 mm以內，滿足規范控制要求。

圖7 地鐵隧道累積變形曲線

4 結語

1）在高架橋樁基、承臺及上部結構施工過程中，地鐵隧道結構變形監測值呈現先增大后減小趨勢，監測進入穩定期后，地鐵隧道結構變形逐漸趨于穩定，累計最大變形量均在2.5 mm以內。

2）有限元軟件ABAQUS計算結果顯示，左線隧道拱頂、拱底處豎向位移明顯大于右線隧道，其中左線隧道拱頂沉降最大值為1.73 mm。

3）樁基施工采用回旋鉆機且全護筒跟進，對巖溶發育區域的樁位進行預注漿處理，可以較好地控制地鐵隧道結構變形。

4）有限元模擬結果與實測數據基本吻合，研究方法可為類似工程項目的設計與施工提供重要參考。

[1] 張超,楊龍才,黃大維,等.鋼套管施工對地鐵隧道影響分析及變形控 制研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(增刊2):3584-3591.

[2] 徐濤,王凱,蔣玉龍.橋臺樁基施工對鄰近地鐵區間隧道的影響分析 [J].路基工程,2016(2):129-133.

[3] 史世雍,蔣峰平,劉濤.深層攪拌樁施工對鄰近運營地鐵隧道影響的 研究[J].建筑結構,2007,37(11):36-38.

[4] 徐云福,王立峰.近鄰樁基施工對城市地鐵隧道的影響分析[J].巖土 力學,2015,36(增刊2):577-582.

[5] 丁智,何奇威,葉星宇,等.橋樁施工對鄰近既有地鐵隧道影響實測研 究[J].鐵道工程學報,2018(9):80-87.