河道開挖改造對既有市域鐵路隧道的影響分析

黃 偉

(中鐵二院華東勘察設計有限責任公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概況

龍灣區奧體片河道整治工程包括普門沙河、豐臺橫河和西扎河,大部分為新開河道,河道總長1 972.98 m,護岸總長3 836.87 m。其中西扎河,控制河寬為19～60 m,豐臺橫河控制河寬為20 m。河道兩側綠化帶寬度均為15 m,規劃河道底高程均為0.0 m；普門沙河控制河寬為9～10.6 m,兩側綠化帶寬度8 m,規劃河道底高程0.0 m。

河道護岸型式結合沿線土地用途及景觀等布置要求,采用干砌塊石擋墻、漿砌塊石擋墻,結合景石、親水踏步、臺階等措施形成具有防洪效益和生態型式的護岸長廊。

溫州市域鐵路S1線明挖隧道DK33+800～DK34+040段與西扎河相交；DK34+450～DK34+480段與普門沙河相交,相交處河道位于明挖隧道上方,河道開挖線距隧道結構頂的最小距離約1.5 m。

2 工程地質條件

擬建區域屬于沖海積平原區,地勢平坦開闊,地表高差較小,多為農田,村鎮,道路等。該區域屬亞熱帶季風氣候,兼受海洋對氣候調節作用,具有季風明顯,四季分明,溫暖濕潤,冬無嚴寒,夏無酷暑,光照充足,雨量豐富。從上到下地層依次為：種植土、黏土、淤泥、淤泥質黏土、黏土、粗砂、粉質黏土。見表1。深厚層軟土為本工程的主要特殊巖土,尤其是軟土地基的強度低、穩定性差和不均勻沉降及變形大等問題,是主要工程地質問題,這些問題可以通過樁基加以解決。

地鐵明挖隧道穿越雜填土、黏土,基底為淤泥質粉質黏土。

3 設計概況

由于項目所處地層主要以淤泥為主,這類土強度低、含水量高、壓縮性高,滲透系數非常小,并且具有明顯的流變性,多數還具有高靈敏度的結構性。根據工程進展情況,河道項目滯后于溫州市域鐵路S1線施工,河道開挖引起的變形主要是河道底部市域鐵路隧道結構的變形、河道底部土體的變形以及河道外土體的變形,將對河道周邊的環境產生一定的影響。如果不采取相應措施,市域鐵路隧道結構可能會位移量過大,進而影響市域鐵路運營安全等問題,因此西扎河和普門沙河規劃階段要求市域鐵路隧道設計考慮兩河道設計河底標高,隧底增加抗拔樁以抵抗河道開挖引起不利影響。

表1 地層物理力學參數

與市域鐵路相交段西扎河采用干砌塊石擋墻護坡[1],河底設0.35 m厚C25混凝土板；普門沙河采用C25混凝土擋墻護坡,河底設0.5 m厚C25混凝土板。兩河道開挖均不得破壞隧道頂板上覆1 m厚黏土隔水層,交叉處河道開挖線距隧道結構頂的最小距離僅為1.5 m。隧道上方河道采用分層、分塊對稱開挖及護岸回筑以控制對隧道產應影響。

溫州市域鐵路S1線區間隧道為地下連續支護明挖順筑結構,因隧底為淤泥,結構底設直徑0.8 m抗拔樁[2],隧道結構采用C45防水鋼筋混凝土。其中DK33+800～DK33+871.400為雙跨帶隔墻單層結構,結構總寬度13.6～21.3 m；DK33+871.400～DK33+977.532為單跨單層,結構總寬度13.6～15.4 m；DK34+450～DK34+480為雙跨帶隔墻單層結構,結構總寬度12.8～15.4 m。見圖1、圖2。

圖1 隧道段西扎河河道護岸斷面圖

圖2 隧道段普門沙河河道護岸斷面圖

4 計算分析

4.1 三維數值分析

采用有限元軟件MIDAS GTS選擇平面位置關系最不利的西扎河、普門沙河與隧道相交處進行河道分層分塊對稱開挖三維計算分析。取模型大小為300 m×200 m×50 m(長×寬×高),模型中巖土體采用實體單元模擬,樁基礎采用梁單元模擬,隧道主體結構采用板單元模擬。巖土體本構模型采用修正摩爾-庫倫模型進行模擬,其余采用彈性模型,采用內力收斂條件,收斂精度為0.001。整個三維有限元計算模型共81 440個單元,58 000個結構節點。模型采用標準約束形式,模型左右、前后邊界固定水平位移,底部邊界固定豎向位移,約束其豎向及水平向位移,上部邊界為地表自由面；自重荷載取重力加速度。根據河道開挖設計方案模擬河道開挖、回筑施工過程,通過殺死、激活單元來模擬土體開挖,進行河道開挖過程模擬及其土體位移計算。見圖3～7。

圖3 計算分析三維模型圖

圖4 河道開挖引起隧道結構豎向位移

圖5 河道開挖引起隧道結構水平位移

圖6 河道完成回水后隧道結構豎向位移

圖7 河道完成回水后隧道結構水平位移

根據三維數值分析計算可知,西扎河、普門沙河開挖對增設抗拔樁隧道結構的變形和內力均產生一定的影響。河道開挖引起隧道結構豎向位移最大值為2.14 mm,滿足5 mm控制值的要求；河道開挖引起隧道結構水平方向位移的最大值為0.24 mm,滿足5 mm控制值的要求。河道護岸修復回填、河道回水后,隧道豎向位移降至1.64 mm,水平位移降至0.13 mm,水平、豎向位移均減小。對于隧道結構受力,無論是雙跨單洞單線隧道結構還是單跨單洞雙線隧道結構,隧道結構內力變化值均較小。其中,雙跨單洞單線隧道結構的Mxx值變化值最大,由456.2 kN·m增大至508.3 kN·m,該段主體結構變化最大處的彎矩設計包絡值為1 200 kN·m,滿足設計要求。

4.2 抗浮檢算

河道開挖施工,減少了溫州市域鐵路S1線隧道上方主體重量,相當于卸載,因此需要對已建S1線隧道進行抗浮安全性分析。

隧道結構計算長度57.0 m,隧道結構底埋深約10.42 m,結構高度9.0 m,結構寬度21.3 m。運營期隧道覆土厚度約1.42 m,上覆土浮重度按8 kN/m3考慮。

上覆土重G1=1.42×57×21.3×8=13 792.18 kN；

結構自重G2=60.95×57×25=86 853.75 kN；

浮力F=21.3×9×57×10×1.1=120 195.90 kN；

所需抗拔力N=F-G1-G2=19 550 kN。

抗拔樁自重Gp=3 091.8+3 958.4=7 050.2 kN；

Tuk=Σniλiqsikuili=26 621.15+32 920.49=59 541.64 kN；

Nk=Tuk/2+Gp=16 402.37+20 418.65=36 821.02 kN>N=19 550 kN,滿足抗浮驗算。

考慮到河流沖刷或清淤影響,建議在S1線隧道頂板上方增設混凝土蓋板。按最不利工況考慮,河道基坑開挖至S1線隧道頂板,施工期隧道覆土厚度按0 m考慮。

上覆土重G1=0 kN；

結構自重G2=60.95×57×25=86 853.75 kN；

浮力F=21.3×9×57×10×1.1=120 195.90 kN；

所需抗拔力N=F-G1-G2=33 342.15 kN。

抗拔樁根據前述運營期計算結果：

Nk=Tuk/2+Gp=36 821.02 kN>N=33 342.15 kN,滿足抗浮驗算。

5 結 語

針對西扎河、普門沙河開挖至隧道結構頂最小距離1.5 m工程實例,進行控制河道開挖及護岸對市域鐵路的不利影響方案設計,并進行有限元模擬驗證可行性,得到如下結論：

1)河道開挖引起隧道結構豎向位移最大值為2.14 mm,滿足5 mm控制值的要求；河道開挖引起隧道結構水平方向位移的最大值為0.24 mm,滿足5 mm控制值的要求。河道護岸修復回填、河道回水后,豎向、水平位移值均減小。

2)隧道結構內力變化值均較小,隧道抗浮驗算滿足要求。分析得出,市域鐵路隧道根據河道設計增強基底抗拔樁設置,是控制后期河道開挖對已運營隧道上浮形變影響的關鍵措施。

3)對進一步減小河道開挖對隧道結構影響的建議：河道開挖合理選擇開挖護岸方案,控制河道穩定性和變形是降低河道開挖及護岸回筑對河道下方隧道產生不利影響的關鍵因素。河道開挖應充分考慮時空效應[3],減少基坑暴露時間；嚴格分層分塊作業,每層卸土厚度應嚴格控制；平面上橫向宜先開挖隧道上方兩側的土體,最后開挖隧道正上方的土體,宜保持對稱均勻原則,從而減少下臥隧道受荷狀態的不均勻性。