地下通道超近距上跨城市軌道交通隧道 結構施工影響分析*

黃 松

(貴陽市公共交通投資運營集團有限公司,550081,貴陽∥高級工程師)

0 引 言

隨著我國城市軌道交通領域的發(fā)展,地鐵運營線路不斷增加,城市軌道交通線路沿線的施工作業(yè)項目也越來越多。我國出臺了相關城市軌道交通控制保護區(qū)的安全管理要求,加強對城市軌道交通控制保護區(qū)內(nèi)可能影響城市軌道交通結構設施安全和運營安全的各類施工作業(yè)行為的管理。

目前,我國較多城市均采用加強外部施工項目技術審查和監(jiān)管的方法,通過監(jiān)測、巡查、預警、監(jiān)控等技術手段,全面掌控城市軌道交通設施的安全狀態(tài),對鄰近既有地鐵施工影響進行分析[1-2]。

為避免軌道交通設施受損,通過建立較為完善的城市軌道交通控制保護區(qū)安全管理制度,及時發(fā)現(xiàn)城市軌道交通控制保護區(qū)內(nèi)未辦理審查手續(xù)或未按照已審批保護方案實施的違法、違規(guī)施工作業(yè)行為。

本文以貴陽市某新建地下過街通道近距離上跨貴陽軌道交通1號線和4號線(以下簡稱“1號線”“4號線”)施工項目為例,結合既有軌道交通結構變形控制標準,對既有軌道交通結構采取安全保護措施,計算分析外部施工作業(yè)對既有軌道交通結構的受力和變形影響。本文研究可為類似工程的相關安全保護措施和現(xiàn)場施工控制提供參考。

1 工程背景

貴陽市某新建地下過街通道位于城市主干道交叉口,上跨1號線和4號線。過街主通道上跨既有軌道交通模型示意圖如圖1所示。該路口基本情況為1號線(已運營)呈東西向敷設,4號線(遠期線,下穿段預留結構已與1號線同期實施)呈南北向敷設,下穿1號線,且該處1號線區(qū)間結構頂部埋深僅為3.85 m。新建地下過街通道采用工字形主通道布置,建設規(guī)模為3 920 m2,共設8個出入口。

a) 平面位置圖

地下過街通道主通道E需上跨1號線和4號線區(qū)間隧道結構,與已建4號線通道在平面位置上基本重疊(見圖1 b))。受空間位置影響,過街通道主通道E結構底部距1號線區(qū)間隧道結構僅0.3 m,為超近距離上跨施工作業(yè)。

2 安全保護方案及控制標準

2.1 既有軌道交通線路結構

既有軌道交通線路的明挖區(qū)間為單層雙孔箱形結構,結構內(nèi)凈高為5.15 m,區(qū)間頂板、底板及側墻厚度為0.6 m,中隔墻厚度為0.3 m,1號線下方同步建設的4號線頂板與1號線明挖結構底板共板設置,厚度為0.8 m,側墻寬為0.7 m。既有軌道交通線路結構剖面圖如圖2所示。

單位:mm

2.2 主通道E的安全保護方案

新建地下過街主通道E采用鋼筋混凝土箱梁,凈空尺寸為10.0 m(寬)×2.7 m(高),箱梁頂板厚度為0.35 m,底板厚度為0.3 m,側墻厚度為0.6 m。為減小新建地下過街通道的施工和運營對既有軌道交通線路的影響,主要采取以下保護措施:

1) 跨軌道交通隧道結構采用暗埋托梁結構形式,其剖面圖如圖3所示。暗埋托梁段承擔過街通道自身質(zhì)量和路面荷載,上跨梁長為24.0 m,高為3.8 m。腹板采用加寬過渡段與橫梁相接。箱梁頂板設置寬為 0.8 m的受壓懸臂,以減小頂板變形。箱梁橫向設置牛腿,用于安裝搭板,并與路基過渡,減小不均勻沉降。

單位:mm

2) 托梁基礎采用樁基礎,為12根直徑1.8 m的混凝土灌注樁,距既有結構最小凈距不小于2 m。同時,按承壓和抗拔樁設計樁基,其與主梁端橫梁固結,基底深入4號線結構以下超過2 m。箱梁端橫梁設置于梁底,與樁基固結。

3) 為減小對既有軌道交通結構的影響,將隧道結構頂部以上10 cm設置為墊層,可有效保護結構防水層和荷載緩沖。

2.3 既有軌道交通結構變形控制標準

根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》、GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》、GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》等規(guī)定,同時參考我國其他地區(qū)的相關變形控制標準[3],結合本項目涉及的1號線區(qū)間結構情況,確定本工程區(qū)間隧道結構的變形控制標準為水平變形量小于5 mm,沉降量小于7 mm,隆起量小于5 mm。

3 安全保護方案施工影響分析

3.1 施工工況

新建地下過街通道基坑按照分層、分步、對稱、平衡、限時這5個要素,遵循“縱向分段、豎向分層、先支后挖”的原則。以基坑整個橫斷面的寬度和分層深度開挖土體,嚴禁大槽開挖施工。每層開挖高度為 2 m,開挖一層,支護一層。在軌道結構防水層 1 m 內(nèi),采用人工配合機械開挖,避免大型機械直接開挖作業(yè)危及隧道安全。

主通道分3段施工,施工步驟為:

1) 第1節(jié)段、第3節(jié)段基坑開挖;

2) 抗拔樁施工,底板澆筑,沙袋反壓底板;

3) 第2節(jié)段開挖;

4) 抗拔樁施工,底板澆筑;

5) 第1節(jié)段、第2節(jié)段、第3 節(jié)段腹板和頂板一次澆筑成型,回填路面。

3.2 計算參數(shù)及本構模型

根據(jù)勘察報告,地層物理力學參數(shù)如表1所示。土體材料本構模型采用修正Mohr-Coulomb模型,由非線性彈性模型和彈塑性模型組合,可以模擬土體不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為。新建地下過街通道結構、抗拔樁、1號線結構和4號線預留通道結構的材料均采用彈性Elastic模型。模型結構屬性及物理力學參數(shù)如表2所示。

表1 地層物理力學參數(shù)指標

表2 模型結構屬性及物理力學參數(shù)

3.3 計算模型及數(shù)據(jù)分析

采用有限元軟件建立新建過街通道上跨1號線及4號線預留段明挖區(qū)間隧道的計算模型。考慮到圣維南原理的影響,模型尺寸設為基坑每側的超出寬度為基坑開挖深度的3～5倍,模型尺寸為80 m(長)×80 m(寬)×40 m(高)。模型側向采用水平約束,模型底部采用豎向及水平約束。計算模型示意圖如圖4所示。在模擬場地原始地應力和1號線及4號線預留段區(qū)間隧道開挖施工完成后,進行位移清零設置,再按照前文所述的施工步驟進行施工模擬計算。

圖4 計算模型示意圖

不同施工步驟下,地層、1號線及4號線預留段區(qū)間結構的豎向位移云圖如圖5所示。當?shù)?節(jié)段、第3節(jié)段基坑開挖時,土體最大隆起量約為4.2 mm,明挖區(qū)間結構頂板最大隆起量約為3.3 mm,位于基坑開挖區(qū)域的中心位置;當?shù)?節(jié)段土體開挖時,基坑土體最大隆起量約為4.0 mm,明挖區(qū)間結構的最大隆起量約為3.2 mm;結構澆筑完成回填后,區(qū)間最大位移為2.1 mm。

a) 過街通道第1節(jié)段、第3節(jié)段基坑開挖

不同施工步驟下,既有結構(1號線及4號線預留段)隆起量及內(nèi)力統(tǒng)計情況如表3所示。由表3可知:新建地下過街通道施工時,既有結構的最大隆起量約為3.3 mm,不超過變形控制標準;新建地下過街通道施工引起區(qū)間結構的內(nèi)力變化,按裂縫控制進行驗算滿足施工要求。由此可見,在采取一系列保護措施后,新建地下過街通道的施工對1號線和4號線產(chǎn)生的影響較小。

表3 不同施工步驟下既有結構隆起量及內(nèi)力統(tǒng)計情況

3.4 現(xiàn)場監(jiān)測情況

為實時掌控項目施工對既有線路結構的影響,對所涉及的軌道交通區(qū)間結構進行安全保護專項監(jiān)測,監(jiān)測項目有區(qū)間結構豎向位移、水平位移、相對收斂變形、軌道靜態(tài)幾何形位(軌距及高差)等,采用自動化監(jiān)測方法進行監(jiān)測。在1號線區(qū)間隧道中,按照 5～6 m間距布設測點,共計布設 13個斷面,每個斷面包含頂板沉降測點(2個)、道床沉降測點(4個,水準測量和靜力水準測量各 2 個)、側墻結構水平及豎向位移測點(4個,水平和豎向共用測點)、相對收斂變形測點(與結構水平位移共用測點)共計10個測點。同時,對軌道靜態(tài)幾何形位進行檢查,對變形縫差異沉降增加 1 組沉降測點。測點布置示意圖如圖6所示。

注:Y0為右線;Z0為左線;A—E為測點編號。

1號線和4號線區(qū)間結構計算值與實測值的最大隆起量對比如圖7所示。由圖7可知:1號線區(qū)間結構累計變形量為0～1.5 mm,其變形趨勢與計算結果相符,但其實測數(shù)值小于計算值且未超過控制標準值;在施工過程中,1號線區(qū)間結構的豎向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)變化速率不大,隆起量浮動較小,說明項目施工全過程對既有線路的影響較小。

圖7 1號線和4號線區(qū)間結構計算值與實測值的 隆起量對比

4 現(xiàn)場施工控制措施

1) 該項目為超小凈距施工,施工前進行了聯(lián)測,確保了過街通道和1號線及4號線預留段區(qū)間結構平面坐標、高程與收集資料一致,特別是鉆孔和基樁的位置,為施工提供準確的基礎資料。

2) 地下通道上跨明挖區(qū)間節(jié)點處需嚴格控制先期開挖第1節(jié)段、第3節(jié)段的基坑范圍,在該范圍底板結構達到強度后需進行配重,以減少后期基坑開挖引起的回彈變形。基坑底部的土體必須采用人工開挖,以確保軌道交通結構防水層的完整性。

3) 對1號線明挖區(qū)間結構進行安全專項監(jiān)測,并做好應急預案。現(xiàn)場需配備足夠的應急物資,一旦發(fā)生險情應及時處理。

5 結論

1) 通過有限元數(shù)值模擬可知,地下通道施工完成后,1號線明挖區(qū)間結構(含4號線預留節(jié)點)的最大隆起量約為3.3 mm,滿足變形控制標準,且新建地下過街通道的施工對既有結構產(chǎn)生的附加內(nèi)力較小,滿足明挖區(qū)間結構受力要求。

2) 在既有軌道交通結構近距離施工時,外部施工項目應采取必要的安全保護措施,精細化設計和施工控制措施對既有軌道交通的建設和安全運營十分重要。

3) 加強既有軌道交通結構的安全保護專項監(jiān)測可以實時掌握軌道交通結構動態(tài),為現(xiàn)場施工提供必要信息,動態(tài)調(diào)整施工控制措施。