軟弱地層地鐵暗挖出入口下穿有軌電車設計及施工影響分析

趙 偉

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著城市規模的增加，單一的出行方式已經無法滿足城市交通需求，越來越多的城市采用地面有軌電車、地鐵、地下道路、高架等方法解決城市擁堵的問題，隨著這些工程的建設，各種交通方式之間相互穿越的情況越來越多。沈陽渾南有軌電車為全國較早的現代化有軌電車，有軌電車敷設于城市路面[1]。在沈陽地鐵的建設過程中，很多區間及車站出入口需要下穿本有軌電車。在施工過程中，地基土體產生擾動或松動時，極易產生較大的地層變位，從而導致既有構筑物發生沉降[2-5]。針對暗挖出入口下穿有軌電車設計實際情況設計了必要的工程措施，通過有限元模擬驗證了設計的安全性，并與最終的監測結果進行對比。

1 工程概況及出入口暗挖段下穿有軌電車設計

車站出入口跨渾南大道設置，由于渾南大道車流量較大，且路中為沈陽市有軌電車5號線，下穿渾南大道及有軌電車出口位置采用暗挖法施工。沈陽市有軌電車5號線工程沿渾南大道路中布設，2013年投入運營。有軌電車線間距5.7m，軌距1.35m；采用整體道床，路基(以邊石為界)寬10m，深約1.92m，自上而下為：250mm鋼筋混凝土支承層、100mm素混凝土找平層、400mm水泥穩定碎石基層，基層以下至1.92m范圍內翻挖回填路床。有軌電車對沉降較為敏感，其道床最大沉降量不得超過10mm。出入口初支頂部距離有軌電車基礎底面最小距離為2740mm。出入口與有軌電車相對位置關系平面圖見圖1，剖面圖見圖2。

圖1 相對位置關系平面圖

圖2 相對位置關系剖面圖

出入口暗挖段拱頂位于素填土，側墻位于粉細砂及圓礫層，底板位于圓礫層，其中素填土及粉細砂工程性質較差，暗挖施工時均易產生較大變形，甚至

塌方。為保證出入口下穿有軌電車安全，本位置設計超前支護采用前進式注漿大管棚+小導管，初期支護采用C25早強網噴混凝土+鋼筋格柵，厚度300mm；二襯采用C40鋼筋混凝土，厚度500mm。

圖3 出入口隧道設計圖

C、D出入口采用CRD法開挖，盡量減小開挖分塊，及時施做封閉的初期支護；開挖進尺為每榀鋼架間距(500mm)，每榀格柵鋼架兩拱腳處各設兩根鎖腳錨管(Φ32，t=3.25，l=3000mm)，減少施工進尺，控制沉降。

2 有限元分析模型

2.1 三維有限元模型建立

運用MIDAS GTS NX有限元軟件對出入口下穿有軌電車進行施工模擬。出入口垂直下穿有軌電車，下穿計算模型縱向取35m，為防止邊界效應影響，隧道兩側分別取25m，隧道底部以下土層取12m，各巖土層均采用彈塑性模型，三維實體單元，屈服準則采用摩爾-庫倫準則，襯砌結構采用彈性殼單元模擬。模型中將超前小導管注漿采用加固范圍內提高土體參數的方式模擬，大管棚加固采用梁單元模擬。模型施加重力荷載，為模擬出入口暗挖施工對電車運行的影響，在有軌電車道床表面施加20kPa均布荷載，如圖4所示。

圖4 出入口隧道下穿有軌電車有限元模型圖

2.2 計算模型主要參數

根據鉆探揭露，按照其沉積年代、成因類型及巖性，此范圍內自上而下的地層為：雜填土①、粉細砂③-2、圓礫③-5、礫砂④-4、圓礫④-5、礫砂⑤-4等。計算中各地層巖體的計算參數如表1所示。

表1 地層參數表

出入口初期支護材料為C25混凝土；二襯為C40混凝土；大管棚鋼管為Q235鋼。支護結構力學參數見表2。

表2 支護結構力學參數表

2.3 施工過程模擬

暗挖標準段施工采用CRD法。計算開挖進尺0.5m，每開挖一步，進行上一步的初期支護，直至隧道施工完成逐步拆除內部初支，施做二襯施工，有限元分析模型施工過程模擬見圖5。

圖5 有限元分析模型施工過程模擬

3 計算結果分析

出入口施工結束，計算模型既有有軌電車沉降量如圖6、圖7所示。結果顯示有軌電車道床最大沉降量為7.2mm。

圖6 計算整體模型(m)

圖7 結構模型詳圖(m)

有軌電車基礎各階段豎向位移如表3所示，結果顯示：在隧道下穿有軌電車道床階段，有軌電車道床沉降量增加較快，階段沉降量達到2.9mm，占總沉降量的41%；隧道掌子面通過有軌電車道床后，由于臨時支撐的拆除，有軌電車道床繼續沉降，階段沉降量為2.8mm，占總沉降量的39%；有軌電車道床最終沉降量為7.2mm。

表3 各階段沉降量統計表

沿有軌電車基床方向有軌電車道床沉降如圖8所示。整體上看，隧道左側10m至隧道右側10m范圍內的有軌電車道床受施工影響產生的沉降較為明顯。

圖8 有限元分析模型施工過程模擬

4 施工監測與計算結果對比分析

施工現場對九號線渾南大道站出入口暗挖段下穿有軌電車進行監測，主要對有軌電車基床沉降進行分析，沉降監測點如圖9所示。

圖9 沉降分析點沉降隨施工步變化曲線圖

現場監測及有限元計算結果表明，有軌電車左、右線最大沉降點均發生在隧道中心線位置，即監測點7及監測點7’。現場施工監測監測點7及監測點7’最大沉降值分別為7.97mm和9.15mm，右線沉降量比左線略大；有限元計算對應監測點7及監測點7’，最大沉降值分別為-6.29mm和-6.95mm；有軌電車實際沉降與計算沉降相比最終沉降曲線趨勢基本一致，實際沉降量略大，最大差值約2.2mm。有軌電車道床實際沉降及有限元模擬結果見圖10。

圖10 沉降分析點監測結果與計算結果最終沉降曲線圖

現場監測結果及有限元計算結果均表明，暗挖掌子面通過有軌電車正下方時有軌電車沉降發展最快。暗挖施工首先通過有軌電車右線下方，因此右線沉降先發展，掌子面通過右線到達左線后左線的沉降發展速度加快。現場監測及有限元計算左右線沉降最大點位置沉降量隨施工步發展如圖11所示。數值計算沉降發展趨勢與現場監測沉降發展基本一致，現場監測下穿后沉降明顯大于數值計算。

圖11 沉降分析點沉降隨施工步變化曲線圖

5 結語

(1)本暗挖出入口下穿有軌電車位置所處地質條件較差，采用了大管棚+小導管超前加固，CRD工法開挖，有軌電車道床最大沉降變形為9.2mm，滿足有軌電車變形控制指標。

(2)本暗挖出入口施工使有軌電車道床變形接近變形控制值，建議以后類似工程采用對變形控制更好的深孔注漿方式進行超前加固，確保有軌電車安全。

(3)雖然暗挖施工本身存在較大不確定性，采用數值計算的方法可以較好地預測有軌電車道床的變形趨勢及變形結果。