新建箱涵小凈距上跨既有地鐵設計

傅家鯤，鄧雪峰

（成都市市政工程設計研究院有限公司，四川 成都 610023）

0 引 言

隨著城市地鐵的大規(guī)模建設和營運線路的增加，新建其他市政工程近距離穿（跨）越既有地鐵線路的情況日益增多[1-3]。新建市政工程施工時，不可避免要引起鄰近既有地鐵結構內(nèi)力變化和軌道變形。當結構內(nèi)力和軌道變形的變化值超過允許范圍時，就可能造成結構破壞，影響地鐵營運的安全性。

本文以成都市牟珠堰河道上跨已營運的地鐵5號線工程為背景，介紹跨越地鐵段的設計和保護方案。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)狀及規(guī)劃河道情況

現(xiàn)狀牟珠堰河道為寬10~15 m左右的天然河道，流向為由北向南，以明渠形式從地鐵5號線九道堰站的東側區(qū)間通過。規(guī)劃牟珠堰河道為寬20 m的人工河道，規(guī)劃位置將其調(diào)整至地鐵5號線九道堰站的西側區(qū)間通過，同時穿越市政道路，如圖1所示。

圖1 牟珠堰河道現(xiàn)狀及規(guī)劃調(diào)整位置

1.2 運營地鐵情況

成都地鐵5號線為已運營線路，九道堰站為地下側式車站，標準段寬64 m，總長約306 m，覆土約3.5~3.7 m。車站兩側均有一段框架結構區(qū)間，其中東側框架結構段長約149 m，西側框架結構段長約278 m。

重新規(guī)劃位置的牟珠堰河道從西側地鐵框架結構區(qū)間段上方通過。該處地鐵結構為單箱雙室框架結構（見圖2），覆土約6.5 m，依靠自重抗浮，抗浮安全系數(shù)不低于1.05[4]。地鐵區(qū)間施工時采用明挖現(xiàn)澆施工，基坑采用圍護樁支護，圍護樁緊貼框架結構外側。

圖2 地鐵明挖框架結構（單位：cm）

1.3 地質(zhì)情況

本工程地質(zhì)情況較為復雜且變化較大，在地鐵北側為砂卵石地層，地鐵上方為回填土，地鐵南側為13 m厚雜填土，如圖3所示。砂卵石地層可直接作為箱涵地基使用，回填土和雜填土均需進行地基處理后方可使用。

圖3 地質(zhì)剖面圖

2 設計方案

2.1 總體設計

規(guī)劃牟珠堰河道呈“弧形”曲線穿越市政道路，長約134 m，其中河道與地鐵重疊段長約35 m。

為保證市政道路的貫通，同時減小對地鐵的影響，穿越段河道采用箱涵結構。箱涵位于地鐵5號線區(qū)間的上方、市政道路的下方。跨越地鐵段采用整節(jié)段澆筑，沉降縫設置于地鐵結構范圍外。

箱涵底板與地鐵結構頂板最小凈距為0.4 m，箱涵頂板覆土厚度約1.16 m，如圖4所示。

圖4 箱涵與地鐵及路面高程關系圖（單位：cm）

2.2 結構設計

根據(jù)過水流量計算，箱涵結構采用單箱雙室截面。每個洞室凈寬10 m，凈高3.4 m。箱涵側墻厚度為70 cm，中墻厚度為60 cm，頂板、底板厚度均為80 cm。同時，為了滿足地鐵結構的抗浮要求，在跨越地鐵段時，箱涵結構增加了抗浮腳趾，如圖5所示。根據(jù)計算，箱涵修筑完成后，地鐵結構的抗浮安全系數(shù)不低于1.05，滿足營運安全的要求。

圖5 箱涵結構斷面圖（單位：cm）

2.3 地基處理

由于地鐵上方的回填土和地鐵南側的雜填土均無法滿足箱涵地基承載力要求，因此對該部分地基需進行處理。

地鐵上方的回填土厚度較小，采用清除換填方式處理。因地鐵處于營運階段，禁止振動碾壓，故換填材料選用低標號混凝土。

地鐵南側的雜填土厚度達8 m左右，選用素混凝土樁復合地基處理，樁底進入卵石層，樁頂設置褥墊層。素混凝土樁采用旋挖成孔，減小施工振動對地鐵的影響。

3 地鐵保護方案

3.1 控制標準

箱涵基坑的開挖和箱涵結構的修筑會引起基坑底部下的土體回彈變形和再壓縮變形。土體的變形必然會引起埋置于土體中的地鐵結構變形。當變形超過允許值時，地鐵結構會發(fā)生開裂，軌道會發(fā)生變形，影響地鐵結構的耐久性和營運的安全性。

根據(jù)地鐵保護要求，箱涵與地鐵5號線區(qū)間的相對凈距小于0.5 H（H為基坑開挖深度），接近程度判定為非常接近。箱涵位于地鐵結構正上方，外部作業(yè)的工程影響分區(qū)判定為強烈影響區(qū)（A）。綜合評定外部作業(yè)影響等級為特級。

綜合考慮規(guī)范[5]及成都市軌道管理體系要求，并結合實際工程經(jīng)驗，制定本工程中對軌道交通既有線結構安全的控制指標（見表1）。

表1 城市軌道交通結構安全控制指標值

3.2 保護措施

由于箱涵施工期間不能中斷地鐵的營運，因此控制箱涵施工對地鐵結構及軌道的影響極為重要。本工程采用以下施工措施：

（1）設置降水井，基坑開挖前對地下水進行管井降水，控制地鐵附近的地下水位于地鐵結構底板以下，避免基坑開挖后造成地鐵結構上浮。

（2）盡量減小基坑開挖面積，減小對地鐵結構的影響范圍，采用陡坡率網(wǎng)噴護面放坡開挖。坑底開挖至距離地鐵結構1 m時，采用人工挖除剩余土體，避免對地鐵防水結構層造成破壞。

（3）地鐵圍護樁破除采用繩鋸，減小施工振動對地鐵結構的影響。

（4）箱涵結構施工完成后，地鐵范圍內(nèi)采用低標號混凝土回填，避免振動碾壓。

3.3 對地鐵結構的影響分析

箱涵修建對地鐵區(qū)間結構變形預測評估，采用巖土數(shù)值模擬分析軟件Midas GTS NX進行計算分析，如圖6所示。

圖6 計算模型

箱涵修建分為施工階段和使用階段。施工階段對地層進行降水和對地鐵區(qū)間結構上方的土體進行卸載為最不利工況。使用階段箱涵結構自重、覆土重及箱涵內(nèi)部河水自重為有利荷載。取最不利工況分析，即施工階段降水和基坑開挖階段進行驗算。

計算主要關注由于降水和基坑開挖導致地鐵區(qū)間結構覆土減少，從而引起的地鐵結構位移及變形情況。將預測結果與規(guī)范要求的控制值進行對比分析，從而對區(qū)間的結構安全性進行評估。

計算結果表明，施工降水方案引起區(qū)間結構沉降約1.0 mm，小于10 mm（見圖7）；開挖引起地鐵區(qū)間結構最大隆起位移為5.1 mm，小于10 mm（見圖8），引起地鐵區(qū)間結構最大水平位移為0.5 mm，小于10 mm（見圖9）；管片整體曲率半徑約為160 000 m，大于15 000 m。各項指標都滿足要求。

圖7 降水引起的地鐵結構沉降位圖（單位：mm）

圖8 基坑開挖引起的地鐵結構隆起圖（單位：mm）

圖9 基坑開挖引起的地鐵結構水平位移圖（單位：mm）

4 既有地鐵區(qū)間結構監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測方案

工程采用了遠程自動化實時監(jiān)測和人工監(jiān)測相結合的方案。對地鐵區(qū)間結構、軌道的豎向和水平位移采用了自動化監(jiān)測，對變形縫差異沉降采用了人工測量。監(jiān)測點斷面布置如圖10所示。

圖10 監(jiān)測點位斷面布置圖

4.2 監(jiān)測結果分析

選取基坑降水、基坑開挖完、箱涵結構施工完、回填并停止降水4個工況的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

基坑降水達到要求降深時，最大豎向位移監(jiān)測值為-0.9 mm（下沉）。基坑開挖完成時，最大豎向位移監(jiān)測值為4.1 mm（隆起），最大水平位移監(jiān)測值為1.1 mm。箱涵結構施工完成時，最大豎向位移監(jiān)測值為2.6 mm（隆起），最大水平位移監(jiān)測值為0.9 mm。回填完成并停止降水后，最大豎向位移監(jiān)測值為1.7 mm（隆起），最大水平位移監(jiān)測值為0.8 mm。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，各個工況下地鐵區(qū)間結構監(jiān)測點處的位移值均滿足控制值要求。在最不利工況下，豎向位移監(jiān)測值小于計算值，水平位移監(jiān)測值大于計算值。經(jīng)分析，水平位移值大于計算值是由于施工現(xiàn)場基坑不對稱開挖、施工機械不對稱擺放、混凝土不對稱澆筑等原因引起的。

5 結語

（1）新建箱涵上跨既有地鐵線路時，應根據(jù)規(guī)范和管理部門實際要求制定相應的變形控制標準，并采取相應的施工措施控制地鐵結構的變形，保障地鐵營運的安全。

（2）基坑施工前應降低地下水位，避免基坑開挖卸載引起地鐵結構上浮。基坑開挖時，應盡量縮小開挖面積，減小對地鐵結構的影響。

（3）采用有限元計算軟件對最不利工況進行預測分析，驗證設計方案的可行性，并評估施工安全性。

（4）通過對現(xiàn)場監(jiān)測值進行分析對比，數(shù)值模擬計算結果和監(jiān)測結果的發(fā)展趨勢基本一致。豎向位移監(jiān)測值小于計算值，但水平位移監(jiān)測值大于計算值，說明施工現(xiàn)場的不對稱荷載控制是施工控制的重點。