高架橋近接施工對既有盾構隧道的影響評價研究

葉逢春，夏 霄，甘鵬路,2

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省智慧軌道交通工程技術研究中心，浙江 杭州 311225)

近年來，在修建快速路時經常遇到高架橋樁基鄰近盾構隧道側向施工的情況，鉆孔樁施工、承臺開挖等不可避免地對隧道周圍土體造成擾動，進而引起既有隧道的位移變化，影響運營隧道的公共安全[1-2]。國內諸多學者對橋梁近接隧道施工的問題進行了相關研究。董必成以深圳月亮灣立交改造工程為背景，通過數值計算驗證了橋梁鄰近地鐵盾構施工方案的可靠性[3]。郭力和李太杰通過三維模型研究了新建樁基施工對既有盾構隧道位移影響，發現盾構管片變形以沉降為主，且最大收斂變形出現在縱向[4]。張偉等對單樁鄰近隧道施工進行參數敏感性分析，研究了立交橋單橋墩樁基礎與雙橋墩樁基礎在施工及承載階段對盾構隧道管片變形與內力影響的優劣[5]。丁智和張霄通過改變樁—隧相對位置、隧道埋深、水平凈距、樁基半徑和考慮群樁因素，研究了靜壓樁基施工對軟土地區既有地鐵隧道的影響[6]。蔡乾廣等介紹了試驗樁及內插樁施工期間對盾構隧道沉降的影響程度，總結出跳樁施工、連續穿透、及時注漿、自動化監控等有益方法[7]。本文以杭州市崇賢至老余杭連接線工程為背景，通過隧道檢測對盾構管片健康狀態進行調查，提出合理的變形控制標準，再基于數值模擬分析了高架橋近接施工情況下的隧道變形情況，為類似鄰近工程設計施工提供了可借鑒的可靠安全評價方法。

1 近接工程概況

1.1 相互位置關系

崇賢至老余杭連接線工程位于杭州市余杭區，為東西向快速通道，線位串聯臨平創業城、良渚文化城和未來科技城三大城市片區。本工程里程K32+589.5～K32+724.0為高架橋段施工，橫跨杭州地鐵5號線金星站—綠汀路站區間隧道的控制保護范圍。區間隧道頂埋深約15.3m，外徑6.2m，內徑5.5m，環寬1.2m，為錯縫拼裝。高架橋梁樁的樁長為25.5m/21m，樁徑約1.5m，與盾構的最小水平凈距為5.9m，承臺矩形尺寸為10.9m×6.3m×2.5m，開挖深度約3.9/4.1m，承臺底與區間隧道的最小豎向凈距約11.4m，兩者相互位置關系圖如圖1所示。

圖1 高架橋與地鐵5號線金綠區間剖面關系圖

1.2 工程地質條件

工程場區內第四系覆蓋層厚度為3～20m，按地質成因時代及其工程特征，可分為：淺表層厚薄不一的填土層；其下為湖沼積的粉質粘土，海積的淤泥質粉質粘土、沖湖積粘性土、坡洪積的含礫粉質粘土、殘坡積土。前第四系基巖為上奧陶統長塢組（O3c）的泥質粉砂巖、砂礫巖。涉地鐵5號線處的填土厚約2.0m；粉質粘土約3.0m；淤泥質粘土厚約8.0m；粘土厚約8.0m；全風化砂礫巖約1.0m；強風化砂礫巖約7.0m其下為中風化砂礫巖。

1.3 高架橋施工方案

高架橋墩的跨徑為54.5m，上部結構為組合鋼板梁，下部結構為雙柱大挑臂蓋梁。橋墩下設矩形承臺和6 根樁基礎，樁基為嵌巖樁樁底進入中風化泥巖。樁基采用常規旋挖鉆施工，泥漿相對密度宜控制在1.2～1.3，采用C30水下混凝土。承臺選用鋼板樁圍堰支護開挖方式，鋼板樁圍護的施工則采用靜壓施工，靠近地鐵盾構隧道側的鋼板樁不拔出。鋼板樁為拉森Ⅳ型，鋼板樁頂部50cm范圍內采用工字鋼圍檁進行四周支護，承臺開挖至承臺底標高以下20cm后立即破除樁頭并用混凝土進行基坑封底。

高架橋的鋼板組合梁采用分段吊裝施工，設置臨時支墩，待鋼板組合梁安裝完成后，再將其拆除。組合鋼梁節段最大重量86t，擬采用2 臺180t 大型汽車吊進行安裝作業。安裝順序為：38.75m節段→15.75m節段→36m節段→44m節段，如圖2所示。臨時支墩下部為擴大基礎，用C30鋼筋混凝土結構，基礎頂部預埋膨脹螺栓，基礎底鋪設16mm厚鋼板。

圖2 鋼板組合梁吊裝平面布置示意圖

2 地鐵5號線結構健康狀態

為確保本工程施工對地鐵5號線結構影響可控，在開工前對杭州地鐵5號線金星站—綠汀路站區間隧道的上下行線KII2+877.5～KII3+031.8 合計262 環進行現狀調查。截止至2020 年4 月，影響范圍內盾構隧道的斷面變形數據和管片病害情況分別如表1 和表2 所示。經統計，共計有17處環縫濕跡，4處縱縫濕跡，2處螺栓孔濕跡和4處環縫滲水。相鄰盾構管片的環間錯臺量最大值為9mm，出現在289 環與290 環3 點鐘方向，根據《盾構法隧道工程施工與驗收規范》（GB50446-2017），成型地鐵隧道相鄰管片環間錯臺量允許偏差為15mm，現狀情況滿足要求。

表1 盾構管片水平直徑差異量情況統計表

表2 隧道管片病害分類統計表

根據浙江省工程建設標準《城市軌道交通結構安全保護技術規程》（DB33/T1139-2017）的相關規定，可以判定影響范圍內地鐵5號線金星站—綠汀路站區間隧道的結構安全狀況為“Ⅱ類”——“變形較大或結構損傷較為嚴重”，保護等級為最高的“A級”。綜合高架橋與地鐵的相對位置關系，地鐵結構安全狀況、工程和水文地質條件、外部作業影響程度等因素，可以提出相應的變形控制指標：①水平位移、豎向位移、相對收斂、差異沉降：±5mm；②變形曲率半徑：15000m；③變形相對曲率：1/2500；④外壁附加荷載：20kPa。

3 近接施工數值模擬

3.1 三維數值模型建立

采用Midas GTS軟件對本工程近接施工進行數值模擬計算，模型的Y方向（垂直于軌道交通走向）取130m，X方向（平行于軌道交通走向）取220m，Z方向（厚度方向）取50m，高架橋與盾構隧道的相對關系如圖3所示。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側約束條件為水平方向固定，豎直方向自由；地表面自由。

圖3 高架橋鄰近盾構隧道施工整體模型圖

3.2 計算參數及模擬工序

計算中巖土體單元采用小應變硬化土本構模型，結構單元采用彈性本構模型。小應變硬化土本構模型可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，采用MC 破壞準則，適合于多種土類的破壞和變形行為的描述，特別適合模擬基坑開挖的變形性狀。根據工程地勘參數，得到土體小應變硬化模型參數見表3。

表3 土體小應變硬化模型參數表

根據高架橋的施工步序，模型施工計算步驟根據各建設內容的先后順序進行，具體為：①地應力平衡；②激活地鐵盾構管片；③高架橋梁樁基施工；④橋梁承臺開挖施工；⑤箱梁吊裝施工；⑥施加運營期間荷載。

3.3 計算分析結果

崇賢至老余杭連接線高架橋施工引起的地鐵5 號線水平位移和豎向位移云圖如圖4所示。通過分析高架橋各個施工步序中盾構隧道的變形情況可知：

圖4 高架橋鄰近盾構隧道施工計算結果

（1）樁基施工引起的最大隧道水平位移為-1.7mm，豎向位移為-1.8mm，隧道收斂變形1.5mm；

（2）承臺施工后，盾構最大隧道水平位移為-1.8mm，豎向位移為-1.9mm，隧道收斂變形1.7mm；

（3）吊裝施工后，盾構最大隧道水平位移為-1.8mm，豎向位移為-2.0mm，隧道收斂變形2.0mm；

（4）運營期間，盾構最大隧道水平位移為-1.8mm，豎向位移為-2.0mm，隧道收斂變形2.0mm；

（5）按臨時支墩布設為條形基礎形成板帶，傳遞荷載小于20kPa，整體地鐵隧道變形滿足上述變形控制指標要求。

4 結語

本文通過分析管片健康現狀檢測和數值模擬分析相結合的方法，對崇賢至老余杭連接線高架橋鄰近地鐵5號線盾構隧道施工安全評價進行了研究，得出了以下結論和建議：

（1）基于斷面掃描，統計出影響區域內地鐵5 號線共有25 處濕跡或滲水，管片最大錯臺量達到9mm，盾構隧道處于變形較大或結構損傷較為嚴重的II 類狀況，在施工過程中應持續對盾構管片健康狀態進行復測；

（2）若高架吊裝及道路回填荷載控制在20kPa（傳遞到地鐵設施壁）以內，高架橋施工引起的盾構隧道最大水平變形為-1.8～1.8mm，最大豎向變形為-1.0～-2.0mm，最大收斂變形為1.2～2.0mm，滿足變形控制要求；

（3）通過在承臺開挖時控制基坑降水，并平衡開挖，同時在吊裝施工時，對臨時支墩基礎進行擴大，確保臨時墩下擴展基礎及鋼筋混凝土墊層擴散至地鐵設施結構外壁的附加荷載小于控制值20kPa，可進一步提高鄰近施工的安全性。