上跨隧道對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響研究

高曼莉

(安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，安徽 合肥 230001)

隨著合肥市第3輪軌道交通規(guī)劃的許可與開工，形成了四線運營、十線在建的局面，屆時軌道交通運營與在建線路達355 km。線網(wǎng)的增加，乘坐市民的增多，致使地鐵安全保護的工作越來越重要。2020 年2 月開始施行的《合肥市城市軌道交通條例》規(guī)定地鐵車站及隧道結(jié)構(gòu)外邊線50 m為安全保護區(qū)，在保護區(qū)內(nèi)進行施工作業(yè)應(yīng)當按照有關(guān)規(guī)定制定保護方案，確保地鐵運營安全。

本文以合肥市天鵝湖隧道上跨既有地鐵工程為例，通過動態(tài)監(jiān)測與數(shù)值模擬計算進行對比分析，研究下穿湖體隧道施工對附近地鐵隧道的影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的保護措施，保障地鐵安全運營。

1 隧道位置

下穿天鵝湖隧道工程位于合肥市某核心區(qū)，全長0.92 km，起自南二環(huán)，自桐文路交口降坡，在距離祁門路80 m處接地，終于祁門路，其中暗埋段隧道長度447 m，U槽長度228 m。該公路隧道為雙向6 車道的3跨矩形鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，形式為敞口段U型槽和雙跨單層箱型。

天鵝湖隧道距地鐵3 號線某車站主體距離約20.8m，距車站出入口約16.4m；距離車站風亭約17.4m；工程上跨3 號線地鐵區(qū)間隧道，開挖基坑底至地鐵隧道頂豎向凈距6.36m，基坑圍護樁底至地鐵隧道頂豎向凈距約2m，均進入地鐵保護區(qū)，對地鐵隧道影響較強烈，平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與地鐵之間的平面關(guān)系

湖體周邊土質(zhì)情況較復雜，地勘報告顯示主要由填土、素填土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)砂巖組成，由于湖體的長期浸泡，土體抗剪強度變小，壓縮模量變大，工程產(chǎn)生的大量土方卸載極不利于地鐵隧道的穩(wěn)定，故工程實施前對地鐵隧道變形進行模擬分析，實施過程中采取動態(tài)變形監(jiān)測。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 優(yōu)化施工方案

根據(jù)其它地方類似工程經(jīng)驗，預先提出采用隔離樁與壓底板形成門式框架結(jié)構(gòu)的保護方案，門式框架結(jié)構(gòu)用以抵抗卸載后地基回彈力、隔離施工期間兩側(cè)土壓力，如圖3所示，同時改善施工步序，采用分區(qū)域、分層開挖的模式，開挖順序如圖4所示，減少對地鐵隧道的擾動，防止變形過大。

圖3 施工剖面圖

圖4 基坑開挖順序

2.2 三維有限元模擬計算

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》要求，提出變形控制指標，如表1所列，豎向變形不超過15mm，水平不超過10mm，故施工前，根據(jù)設(shè)計方案采用MIDAS/GTS建立三維計算模型，代入經(jīng)反演的地質(zhì)參數(shù)如表2所列，預演地鐵隧道變形趨勢，依施工順序逐步演算，模型長140m，寬93.3m，高38m，地鐵隧道長度93.3m，模型單元個數(shù)約144320個。

表1 變形控制指標

表2 地質(zhì)反演參數(shù)表

土本構(gòu)模型采用修正Mohr-Coulomb模型,混凝土結(jié)構(gòu)及鋼支撐等采用各項同性彈性模型。天鵝湖隧道結(jié)構(gòu)采用三維6面體單元進行模擬,地鐵隧道管片采用二維板彈性單元進行模擬,鉆孔灌注樁、鋼支撐等采用一維梁單元進行模擬。模型采用固定邊界條件，頂面為地面不限制位移，4個側(cè)面限制水平位移，底面限制豎向位移。模擬結(jié)果顯示，施工過程中最大豎向變形為上浮9.35mm，最大水平位移為南移2.48mm，均在控制指標范圍內(nèi)，優(yōu)化后的方案安全可行。

3 實時動態(tài)監(jiān)測

為控制過大變形，施工全過程對地鐵隧道的進行實時動態(tài)監(jiān)測。根據(jù)三維模擬計算的結(jié)果進行監(jiān)測斷面布設(shè)，模擬變形較大的區(qū)間加密監(jiān)測斷面。監(jiān)測項目包括拱頂沉降、地鐵隧道底隆起、水平收斂、水平位移、結(jié)構(gòu)裂縫等。

工程南側(cè)基坑開挖時，地鐵隧道并未像三維模擬結(jié)果一樣引起上浮，反而出現(xiàn)沉降。隨著開挖的繼續(xù)，各斷面沉降幅度逐漸減小并開始出現(xiàn)隆起趨勢，由監(jiān)測數(shù)據(jù)得最大豎向變形為沉降1.61mm，最大水平位移均小于1mm，最大收斂為0.74mm。經(jīng)分析原因為地鐵隧道施工完不久，沉降并未穩(wěn)定，變形中沉降仍占主導地位。

正上方的基坑開挖，地鐵隧道監(jiān)測結(jié)果：豎向最大變形為上浮3.72mm，出現(xiàn)在基坑下方的 6-10 號監(jiān)測斷面；水平位移的最大變形為南移2.13mm，出現(xiàn)在1-7 號監(jiān)測斷面，由于南部基坑已完成卸載導致地鐵隧道的水平位移最大值均為向南偏移，與模擬結(jié)果基本相似。同時后半段開挖過程，存在超挖、開挖較快及鋼支撐架設(shè)不夠及時等現(xiàn)象，加之土體變形的時空效應(yīng)，致使地鐵隧道變形速率較快，后及時發(fā)現(xiàn)糾正，將變形控制在安全范圍內(nèi)。

北側(cè)基坑施工，發(fā)生過一次較大變形的情況，最大變化量為 0.63mm，變化速率為 0.09mm/d，結(jié)合現(xiàn)場工況分析，發(fā)現(xiàn)基坑兩天完成開挖，施工速度過快導致。基坑穩(wěn)定后，地鐵隧道在7 號監(jiān)測斷面出現(xiàn)了最大上浮變形，累計變形值為 4.36mm，最大水平位移出現(xiàn)在2 號監(jiān)測斷面，總體向北偏移，但累計變形依然為向南 1.07mm，經(jīng)巖土力學分析，北側(cè)土體離湖較遠，比南側(cè)土體更穩(wěn)定，故最終表現(xiàn)出向南變形較大。

4 結(jié)論

工程竣工后3個月，地鐵隧道的沉降最大累計變形為上浮4.63mm，水平位移最大累計變形為南移1.71mm，總體變形趨勢與前期模擬計算基本符合，均未發(fā)生超值預警，可見三維模型計算準確，地質(zhì)參數(shù)反演合理，能夠作為類似施工典型經(jīng)驗。結(jié)合工程實際，得出相關(guān)建議如下：①為確保模擬計算準確性，地質(zhì)參數(shù)需進行反演，天鵝湖區(qū)域類似工程模擬計算參數(shù)可參考文中反演結(jié)果，取泊松比0.25-0.3，回彈模量72-178 MPa，內(nèi)摩擦角13-32°，粘聚力45-300 kPa；②施工前借助三維模擬計算，能夠檢驗方案可行性，優(yōu)化施工和監(jiān)測方案；③建立地鐵隧道動態(tài)監(jiān)測與外部項目施工的聯(lián)動機制，隨時根據(jù)變形數(shù)據(jù)改進施工工藝，能夠有效遏制異常變形；④地鐵隧道的最大變形位于基坑正下方，故上方擾動對地鐵影響較為顯著；同時分塊分層卸土，禁止超挖快挖，利用底板與圍護樁形成門式框架結(jié)構(gòu)，能有效控制地鐵隧道上方大面積卸載而引起的變形。