地道近距離穿越地鐵隧道的設(shè)計研究

黃中磊，吳 玥

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 河西 300200；2.河南省鄭州新區(qū)建設(shè)投資有限公司，河南 鄭州 450018)

1 背 景

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各大城市人口密度也迅速的增加，交通工具也越來越多，為了更好的解決城市的交通問題，開發(fā)地下空間成為一個熱門的解決方案，開發(fā)地下空間的施工工法有多種，管幕法作為一種較新型的支護方法，在目前穿越道路、橋梁、地鐵、機場、大型構(gòu)筑物等工程中，取得了一定的應(yīng)用。

同時，隨著我國各大城市軌道交通的迅猛發(fā)展，越來越多的構(gòu)筑物需要在地鐵區(qū)間附近施工，周圍構(gòu)筑物的施工會改變地鐵區(qū)間隧道或車站本身的受力狀態(tài)。從而對結(jié)構(gòu)不利的影響。

本文依托鄭州綜合交通樞紐東部核心區(qū)地下空間綜合利用工程六個連接通道項目，結(jié)合管幕工法的施工優(yōu)點，創(chuàng)造性的采用管幕+頂進的施工工藝，并對管幕和抗拔樁進行設(shè)計組合，通過一系列的設(shè)計優(yōu)化使離地鐵垂直距離最近的4號通道(通道底板下管幕底底離地鐵管片垂直距離2.3 m)順利頂進穿過地鐵隧道上方。并且控制地鐵變形在相關(guān)規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2 工程概況

鄭州綜合交通樞紐東部核心區(qū)地下空間綜合利用工程項目位于鄭東新區(qū)東南部。地塊長約950 m，寬約1 000 m。工程西接?xùn)|站東廣場，東連規(guī)劃360 m塔樓、蓮湖景區(qū)；地鐵一號線貫穿通過，并設(shè)博學(xué)路站。地面道路、地下環(huán)路環(huán)繞主體，形成立體交通網(wǎng)絡(luò)。107輔道橫跨南北，貫通CBD商務(wù)區(qū)、新鄭機場。

本項目包括地上部分和地下部分，地上部分為人行步道橋、景觀公園、附屬設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)備用房；地下部分為地下一層附屬設(shè)施，地下二、三層地下車庫。工程占地總面積大，投資額度高，其中穿越地鐵1號線的六個連接通道是整個項目的設(shè)計、施工難點。

圖1 地下空間項目效果圖

本次連接通道部分由六個人行通道組成。通道沿南北走向，并跨越鄭州地鐵1號線，其中1～4號連接通道跨越鄭州東站～博學(xué)路站區(qū)間，5～6號連接通道跨越博學(xué)路站～市體育中心站區(qū)間，均處于地鐵保護限界之內(nèi)。

3 管幕+頂進工藝的設(shè)計優(yōu)化

綜合考慮國內(nèi)外臨近地鐵的通道的設(shè)計、施工方法，考慮到垂直方向上與地鐵的近距離關(guān)系，本次設(shè)計，的采用連接通道頂進基坑采用鉆孔樁+冠梁鎖扣圍護形式。為防止因連接通道施工導(dǎo)致地鐵隧道隆起變形，設(shè)計采用Φ800@1 500抗拔樁+Φ1 200@1 500管幕+注漿門式加固措施，其中抗拔樁距離地鐵隧道邊最小距離5.1 m，管幕距離地鐵隧道邊最小距離2.1 m，最大距離5.03 m。頂管基坑施工期間和頂管頂進期間必須對地連墻墻頂水平位移進行監(jiān)測，監(jiān)測頻率不小于1次/d。根據(jù)計算結(jié)果，1、2號通道頂進力不得大于800 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于10 mm； 3號通道頂進力不得大于800 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于20 mm；4號通道頂進力不得大于500 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于24 mm；5號通道頂進力不得大于500 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于20 mm；6號通道頂進力不得大于700 KN/m，地連墻墻頂水平位移不得大于20 mm。

圖2 箱體頂進及管幕立面、橫斷面圖

4 管幕和抗拔樁連接的優(yōu)化設(shè)計

對于本項目來說，在地鐵區(qū)間隧道或區(qū)間車站進行新的構(gòu)筑物施工前，施工工作坑的支護構(gòu)件，工作坑的支護構(gòu)件可為鋼板樁，鉆孔灌注樁等支護構(gòu)件形式，確定抗拔樁位，在所述抗拔樁位處依靠回旋機將鋼護筒下放至設(shè)計高，所述鋼護筒直徑要略大與抗拔樁外徑。抗拔樁要澆注至管幕下1 m以上，頂進管幕，管幕頂進至鋼護筒處，鋼護筒需切除并提升至地面，在管幕及抗拔樁交匯處切割管幕操作孔，截斷管幕以上鋼筋并清理樁頂，隨后繼續(xù)頂進管幕。管幕間依靠工字鋼但不局限于工字鋼作為鎖扣連接，抗拔樁與管幕交接處需二次澆注混凝土，保證抗拔樁與管幕的連接，上述管幕內(nèi)灌注和抗拔樁同標號的混凝土，待管幕和抗拔樁施工完畢后施工地鐵上方構(gòu)筑物即可。

圖3 管幕和抗拔樁的優(yōu)化設(shè)計

5 通道對即有區(qū)間隧道的影響預(yù)測

常規(guī)基坑支護采用規(guī)范推薦的彈性地基梁法，僅用于分析基坑本身變形和安全。考慮到周邊地鐵隧道和車站的安全，需要采用連續(xù)介質(zhì)有限元法進行分析。最終采用的是plaxis 3d三維分析軟件，對基坑全過程的模擬分析。

5.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

基坑地連墻、圍護樁、地鐵站結(jié)構(gòu)、隧道的結(jié)構(gòu)用板單元來模擬，基坑的水平支撐簡化為板單元模擬，均采用彈性模型，地鐵隧道板單元的彈性模量取值考慮了隧道管片間的連接作用，軸向剛度折減了25%，橫向折減了75%。

表1 各結(jié)構(gòu)參數(shù)表

5.2 數(shù)值分析模型

本項目共有6個連接通道，分別為1號～6號通道。其中1號和2號通道連接AC基坑，3號～6號基坑連接BD基坑。針對這6個連通道，建立了6個小模型，以研究其建造過程對其下的地鐵隧道的影響。

模型的建立以東西方向為X軸，以南北方向為Y軸，豎直方向為Z軸，網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點四面體單元，每個模型生成的節(jié)點數(shù)約53 000個，單元數(shù)約40 000個。連通道采用預(yù)制箱涵、帶土頂進工藝實施，在預(yù)制箱涵與區(qū)間隧道之間利用直徑1 200頂管設(shè)置U形隔離保護層，同時在區(qū)間隧道中間及兩側(cè)打隔離樁(后續(xù)可作為連通道的抗拔樁)，U形隔離保護層與隔離樁、兩側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)連接。

隔離保護層和隔離樁均按照剛度等效的原則，簡化為板單元模擬，1號通道的建立的模型如圖4、圖5。

圖4 1號連通道模型示意圖(整體)

圖5 1號連通道模型示意圖(網(wǎng)格)

5.3 數(shù)值分析模型

計算中按實際施工順序模擬各個連接連通道施工過程，具體模擬步驟為:連通道兩端明挖工作井基坑圍護結(jié)構(gòu)施作一工作井基坑開挖一隔離樁及管幕施作一預(yù)制箱涵頂進一箱涵內(nèi)土體清除。由于四號、五號通道豎直方向離地鐵僅有2.1 m，現(xiàn)以四號五號通道計算結(jié)果為例。經(jīng)計算4號連通道兩端明挖工作井基坑開挖后，基坑底部最大隆起約18 mm，由于4、5號通道尺寸較小，本無位移產(chǎn)生兩端工作井基坑開挖施工對隧道基本無影響，隧道結(jié)構(gòu)豎向和水平方向基本無位移產(chǎn)生。

隔離樁及管幕施作完成后，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生下沉，豎向位移值-1.2～-2.5 mm，水平方向基本無位移產(chǎn)生。

通道箱涵施工完成后，由于土體的卸載，箱涵及隧道結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)上浮趨勢，其中隧道結(jié)構(gòu)最終豎向位移值為0.9～1.6 mm，最大水平位移值0.43 mm。隧道結(jié)構(gòu)最大收斂值0.61 mm。箱涵結(jié)構(gòu)上浮0～2 mm。

圖6 隔離樁及管幕施作后地層位移云圖

圖7 隔離樁及管幕施作后管片豎向位移云圖

圖8 通道箱涵施工完成后地層位移云圖

圖9 通道箱涵施工完成后管片豎向位移云圖

4、5號連通道施工全過程中，不同部位施工引起的隧道變形情況不盡相同，隧道豎向位移呈現(xiàn)上下波動。明挖工作井圍護施作完成后，隧道呈下沉趨勢，最大下沉量約2.2 mm;工作井基坑開挖完成后，隧道產(chǎn)生上浮，豎向位移最大值變?yōu)?0.03 mm;隔離樁及管幕施作完成后，隧道又出現(xiàn)下沉，豎向位移值變?yōu)?1.2～-2.6 mm;通道箱涵施工完成后，隧道再次產(chǎn)生上浮，最終豎向位移值為0.9～1.6 mm。整個過程中水平方向基本無位移產(chǎn)生，最大水平位移值0.43 mm。隧道結(jié)構(gòu)最大收斂值0.61 mm。

6 結(jié) 論

(1)本項目開工前，新博區(qū)間上方存在大量堆土，在既有堆土作用下，隧道己產(chǎn)生很大的下沉，且管片結(jié)構(gòu)己產(chǎn)生較大變形。施工以來的堆土清除必然會引起隧道結(jié)構(gòu)會有所回彈，且回彈有一定滯后性。1～6號連通道施工會引起隧道產(chǎn)生額外的隆起，但隆起值較小。

(2)根據(jù)隧道輪廓掃描結(jié)果及管片病害調(diào)查并結(jié)合結(jié)構(gòu)計算判斷，目前隧道管片變形小，安全閥值等均在可控范圍內(nèi)。

(3)通過對管幕+頂進施工工藝的設(shè)計優(yōu)化，保證在通道頂進過程中地鐵結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定，通過管幕與抗拔樁的連接，為同類型地道近距離穿越地鐵隧道提供技術(shù)借鑒。