劉猛

摘 要：針對淺埋暗挖法施工的地鐵隧道近距離下穿簡支橋梁施工工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合淺埋暗挖法理論，將結(jié)果用于細(xì)化和優(yōu)化工法設(shè)計(jì)并指導(dǎo)施工。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道 淺埋暗挖 下穿橋梁 數(shù)值模擬

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0068-03

由于軌道交通線路走向基本處于城區(qū)范圍，沿線通常建筑林立、交通繁忙、市政管線繁多，對地鐵區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)和施工將帶來很大困難。本文通過對大連地鐵2號線某淺埋暗挖法[1]區(qū)間臨近下穿擴(kuò)大基礎(chǔ)簡支梁橋—灣家橋的模擬分析、設(shè)計(jì)及成功施工的介紹，望對后期軟弱巖層內(nèi)類工法的項(xiàng)目實(shí)施提供有益的借鑒性參考。

1 工程概況

1.1 隧道與灣家橋關(guān)系

本區(qū)間為淺埋暗挖法施工的單洞單線隧道，左右線隧道水平凈距6.5 m，隧道埋深8～10 m。隧道斜穿灣家橋區(qū)段影響長度約68 m。灣家橋橋面寬20.5 m，為3×18.0 m簡支板橋，橋梁墩臺(tái)為圬工結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大基礎(chǔ)坐落于強(qiáng)風(fēng)化石英巖夾板巖地層。區(qū)間隧道自東向西依次下穿灣家橋4個(gè)橋墩，其中1號橋墩為最不利橋墩，橋墩底距隧道拱頂3.5～4.9 m不等。區(qū)間隧道與橋梁關(guān)系如圖1、圖2所示。

1.2 穿橋段地質(zhì)、水文概況

（1）地質(zhì)概況。

區(qū)間穿橋段地面至拱頂主要為素填土、卵石、中風(fēng)化石英巖、中風(fēng)化石英巖夾板巖。邊墻主要為強(qiáng)風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化石英巖夾板巖地層。各地層性質(zhì)描述如下，區(qū)間所處地層情況詳見圖1。

①1素填土：黃褐色，主要成分為碎石、粘性土。

②3卵石：呈亞圓形，粒徑20～200 mm不等，含量占60～70%左右，粘性土和砂礫石充填粒間孔隙，局部漂石，稍密-中密狀態(tài)。卵石層為強(qiáng)透水層，滲透系數(shù)K=100 m/d。

③2強(qiáng)風(fēng)化石英巖夾板巖：巖芯多呈碎塊狀，碎片狀，碎塊用手可折斷遇水易軟化。強(qiáng)風(fēng)化石英巖夾板巖具中等透水性，滲透系數(shù)K=10.0 m/d。

④3中風(fēng)化石英巖夾板巖：巖芯呈塊狀、短柱狀，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級V級。中風(fēng)化石英巖夾板巖具中等透水性，滲透系數(shù)K=4.0 m/d。

（2）地下水概況。

灣家橋下方馬欄河于場區(qū)自北向南穿過，豐水期河水上漲。場區(qū)地下水類型主要是土層孔隙水及基巖裂隙水，土層孔隙水主要賦存于素填土及卵石中，為主要含水層，透水性較好，水量豐富；基巖裂隙發(fā)育，裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖中，水量一般。

2 工況數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

選取最不利的1號墩臺(tái)進(jìn)行計(jì)算模擬。土體采用平面應(yīng)變CPE8R單元模擬，襯砌采用二次梁單元B22模擬。模型共40787個(gè)節(jié)點(diǎn)，127個(gè)B22單元，13422個(gè)CPE8R單元。橋梁荷載等效為墩底范圍內(nèi)的均布荷載，取為60kPa。土體兩側(cè)豎直邊界約束水平位移，底部約束水平和豎向位移。有限元計(jì)算網(wǎng)格、荷載及邊界條件（見圖3）。土體均采用Mohr Coulomb模型模擬，巖體、襯砌和橋梁承臺(tái)采用線彈性模型模擬。計(jì)算時(shí)，先平衡土體的自重應(yīng)力，得到初始應(yīng)力場，然后模擬隧道的開挖和支護(hù)過程。

2.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)模擬計(jì)算，得到區(qū)間隧道施工對地層及橋梁墩臺(tái)的影響結(jié)果（見圖4、圖5）。

從圖中可以看出，土體和承臺(tái)的沉降及襯砌變形較小，都在限值范圍之內(nèi)。具體數(shù)值為：

（1）地表沉降約13 mm。（2）承臺(tái)基礎(chǔ)沉降約10.6 mm。（3）初支變形約11.2 mm。

考慮灣家橋的實(shí)際使用情況，并依據(jù)根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，在設(shè)置合理的開挖技術(shù)措施后，橋梁基礎(chǔ)整體傾斜應(yīng)小于0.2%，考慮橋梁在施工過程及工后沉降過程中可能已產(chǎn)生了一定的整體傾斜，區(qū)間隧道施工過程中建筑物的傾斜按0.1%控制。在施工過程中，河道地表沉降按10 mm控制。

根據(jù)以上分析，在考慮各項(xiàng)施工措施后由隧道開挖引起的橋梁變形數(shù)值均在容許范圍之內(nèi)。同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)對墩臺(tái)變形較大的沉降趨勢進(jìn)行針對性加強(qiáng)，以最大限度減小區(qū)間下穿期間對橋梁的影響。

3 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及不利因素與其設(shè)計(jì)應(yīng)對措施

3.1 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及不利因素

（1）區(qū)間下穿橋梁區(qū)段拱部地層局部有卵石分布，地下水豐富，開挖易形成涌水、塌方。

（2）區(qū)間隧道拱頂至橋梁墩臺(tái)底部距離過近，尤其以1號墩臺(tái)僅3.5 m；橋梁墩臺(tái)為圬工結(jié)構(gòu)，對地基變形敏感。

（3）下穿橋梁區(qū)段位于300 m小半徑曲線范圍，開挖施工軸線調(diào)整頻繁對施工控制不利。

（4）橋面交通量大，尤其夜間多有渣土運(yùn)輸?shù)戎剌d車輛通行。

3.2 主要設(shè)計(jì)應(yīng)對措施

（1）首先對拱頂3 m范圍卵石層進(jìn)行洞內(nèi)深孔注漿預(yù)注漿加固，形成有效拱頂棚護(hù)加固體同時(shí)有效止水。

（2）兩條隧道開挖應(yīng)拉開距離，掌子面前后間距不小于20 m。對前方地層進(jìn)行地質(zhì)超前探孔，沿拱頂150°均布3～5個(gè)超前探孔，孔深4 m，打設(shè)角度斜向上30°。

（3）隧道開挖采用超前注漿小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，初期支護(hù)采用300 mm厚C25噴射混凝土，格柵鋼架間距0.5 m，小導(dǎo)管長2.5 m，環(huán)縱間距0.3 m×1.0 m）。

（4）施工本段區(qū)域時(shí)采用人工開挖或機(jī)械開挖。做好與相關(guān)單位協(xié)調(diào)工作，并在隧道施工階段對灣家橋?qū)嵭薪煌飨蚩刂啤?/p>

（5）施工采用超短臺(tái)階開挖（臺(tái)階步距3 m），初支快速封閉成環(huán)，上臺(tái)階開挖需留設(shè)核心土。

（6）施工前應(yīng)對灣家橋進(jìn)行評估，并由相關(guān)單位明確其允許變形值及沉降值等指標(biāo)。

4 隧道下穿橋基施工

施工前組織了相關(guān)專家會(huì)同橋梁權(quán)屬部門對橋梁進(jìn)行評估，橋梁現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)情況較好，橋梁變形限值如下：絕對沉降值<10 mm，橫向差異值<5 mm，同跨相鄰墩臺(tái)間縱向差異沉降<15 mm。施工方在隧道施工前根據(jù)評估結(jié)論以及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了細(xì)致的專項(xiàng)施組、應(yīng)急預(yù)案的編制并制定了專項(xiàng)量測方案。

4.1 監(jiān)測專項(xiàng)方案

（1）洞內(nèi)及洞外巡視：觀察地層及其穩(wěn)定情況，觀察已施工地段支護(hù)結(jié)構(gòu)的情況，觀察已施工地段地表和橋梁結(jié)構(gòu)狀況。

（2）地表沉降監(jiān)測：隧道上部地面布設(shè)水準(zhǔn)觀測點(diǎn)，定期量測地表變化情況。

（3）灣家橋上部結(jié)構(gòu)及墩臺(tái)基礎(chǔ)的沉降及傾斜監(jiān)測。

（4）初支拱頂沉降監(jiān)測、初支側(cè)墻凈空收斂監(jiān)測。

根據(jù)前述變評審限值作為預(yù)警值，同時(shí)施工安全判別標(biāo)準(zhǔn)，其指導(dǎo)性安全判別標(biāo)準(zhǔn)如下：（F=實(shí)測值/控制值）：F<0.7：安全；0.7≤F<0.85：黃色預(yù)警；0.85≤F<1：橙色預(yù)警；F≥1：紅色預(yù)警。根據(jù)預(yù)警級別制定針對性應(yīng)對措施。

4.2 應(yīng)急預(yù)案

在進(jìn)行工程施工時(shí)，制定并嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)防塌限沉措施，同時(shí)施工掌子面儲(chǔ)備好各種搶險(xiǎn)物資。在發(fā)生施工掌子面突發(fā)性塌方時(shí)立即啟動(dòng)搶險(xiǎn)預(yù)案，采取下列措施：

（1）立即使用搶險(xiǎn)物資對塌方處進(jìn)行封閉回填和加固處理。同時(shí)把有關(guān)信息上報(bào)各參建單位聯(lián)合采取必要的搶險(xiǎn)措施，加強(qiáng)對灣家橋的檢查和量測工作。

（2）組織專家討論分析造成掌子面突發(fā)性塌方的原因和相應(yīng)的控制措施。

（3）根據(jù)確定的控制措施重新制定或調(diào)整施工工藝和施工組織，進(jìn)行施工交底，嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)措施再進(jìn)行開挖施工。

（4）、橋下準(zhǔn)備好臨時(shí)支頂圓木、型鋼及千斤頂?shù)炔牧?，確保橋梁上部結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)性破壞。

4.3 施工過程監(jiān)測情況

經(jīng)對施工、監(jiān)測等各項(xiàng)措施的保證，兩條隧道先后安全穿越橋梁，橋梁施工過程對1號墩臺(tái)監(jiān)測變形終值（見圖6）。

根據(jù)隧道施工期間的監(jiān)測情況，通過地層處理以及加強(qiáng)支護(hù)措施后，橋梁墩臺(tái)變形絕對值最大為5.6 mm<10 mm，墩臺(tái)傾斜值為0.089%<0.1%，最大差異沉降3.2 mm<5 mm。可見，均未超過分析結(jié)果以及專家評估數(shù)值，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)、施工方案的安全性。

5 結(jié)論與建議

通過本區(qū)間隧道下穿橋梁的安全實(shí)施，首先驗(yàn)證了模型分析對結(jié)構(gòu)施工變形趨勢及數(shù)值的合理預(yù)測，在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)制定的針對性施工措施以及施工過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案以及落實(shí)信息化施工的原則，最終該工程順利、安全實(shí)施完成。通過此施工實(shí)例，得到如下結(jié)論：

（1）對復(fù)雜巖層內(nèi)隧道施工采用合理的模型分析，可以就各施工工況對地層、結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行針對性分析，可具體得到施工影響結(jié)果并據(jù)此采取針對性技術(shù)措施。

（2）基礎(chǔ)位于相對整體性較好的巖層時(shí)，對下方超過2.5 m埋深的結(jié)構(gòu)荷載基本成均布形式。

（3）淺埋暗挖法下穿基礎(chǔ)時(shí)采用較強(qiáng)的超前支護(hù)及初期支護(hù)措施，并嚴(yán)格按照超短臺(tái)階進(jìn)行開挖同時(shí)留設(shè)核心土，并確保初支結(jié)構(gòu)的及時(shí)封閉，可對上部結(jié)構(gòu)影響可減小到最低。

參考文獻(xiàn)

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