黃 偉

(中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概況

龍灣區(qū)奧體片河道整治工程包括普門(mén)沙河、豐臺(tái)橫河和西扎河,大部分為新開(kāi)河道,河道總長(zhǎng)1 972.98 m,護(hù)岸總長(zhǎng)3 836.87 m。其中西扎河,控制河寬為19～60 m,豐臺(tái)橫河控制河寬為20 m。河道兩側(cè)綠化帶寬度均為15 m,規(guī)劃河道底高程均為0.0 m；普門(mén)沙河控制河寬為9～10.6 m,兩側(cè)綠化帶寬度8 m,規(guī)劃河道底高程0.0 m。

河道護(hù)岸型式結(jié)合沿線土地用途及景觀等布置要求,采用干砌塊石擋墻、漿砌塊石擋墻,結(jié)合景石、親水踏步、臺(tái)階等措施形成具有防洪效益和生態(tài)型式的護(hù)岸長(zhǎng)廊。

溫州市域鐵路S1線明挖隧道DK33+800～DK34+040段與西扎河相交；DK34+450～DK34+480段與普門(mén)沙河相交,相交處河道位于明挖隧道上方,河道開(kāi)挖線距隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)淖钚【嚯x約1.5 m。

2 工程地質(zhì)條件

擬建區(qū)域?qū)儆跊_海積平原區(qū),地勢(shì)平坦開(kāi)闊,地表高差較小,多為農(nóng)田,村鎮(zhèn),道路等。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,兼受海洋對(duì)氣候調(diào)節(jié)作用,具有季風(fēng)明顯,四季分明,溫暖濕潤(rùn),冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷暑,光照充足,雨量豐富。從上到下地層依次為：種植土、黏土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土。見(jiàn)表1。深厚層軟土為本工程的主要特殊巖土,尤其是軟土地基的強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差和不均勻沉降及變形大等問(wèn)題,是主要工程地質(zhì)問(wèn)題,這些問(wèn)題可以通過(guò)樁基加以解決。

地鐵明挖隧道穿越雜填土、黏土,基底為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

3 設(shè)計(jì)概況

由于項(xiàng)目所處地層主要以淤泥為主,這類(lèi)土強(qiáng)度低、含水量高、壓縮性高,滲透系數(shù)非常小,并且具有明顯的流變性,多數(shù)還具有高靈敏度的結(jié)構(gòu)性。根據(jù)工程進(jìn)展情況,河道項(xiàng)目滯后于溫州市域鐵路S1線施工,河道開(kāi)挖引起的變形主要是河道底部市域鐵路隧道結(jié)構(gòu)的變形、河道底部土體的變形以及河道外土體的變形,將對(duì)河道周邊的環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。如果不采取相應(yīng)措施,市域鐵路隧道結(jié)構(gòu)可能會(huì)位移量過(guò)大,進(jìn)而影響市域鐵路運(yùn)營(yíng)安全等問(wèn)題,因此西扎河和普門(mén)沙河規(guī)劃階段要求市域鐵路隧道設(shè)計(jì)考慮兩河道設(shè)計(jì)河底標(biāo)高,隧底增加抗拔樁以抵抗河道開(kāi)挖引起不利影響。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

與市域鐵路相交段西扎河采用干砌塊石擋墻護(hù)坡[1],河底設(shè)0.35 m厚C25混凝土板；普門(mén)沙河采用C25混凝土擋墻護(hù)坡,河底設(shè)0.5 m厚C25混凝土板。兩河道開(kāi)挖均不得破壞隧道頂板上覆1 m厚黏土隔水層,交叉處河道開(kāi)挖線距隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)淖钚【嚯x僅為1.5 m。隧道上方河道采用分層、分塊對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖及護(hù)岸回筑以控制對(duì)隧道產(chǎn)應(yīng)影響。

溫州市域鐵路S1線區(qū)間隧道為地下連續(xù)支護(hù)明挖順筑結(jié)構(gòu),因隧底為淤泥,結(jié)構(gòu)底設(shè)直徑0.8 m抗拔樁[2],隧道結(jié)構(gòu)采用C45防水鋼筋混凝土。其中DK33+800～DK33+871.400為雙跨帶隔墻單層結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)總寬度13.6～21.3 m；DK33+871.400～DK33+977.532為單跨單層,結(jié)構(gòu)總寬度13.6～15.4 m；DK34+450～DK34+480為雙跨帶隔墻單層結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)總寬度12.8～15.4 m。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 隧道段西扎河河道護(hù)岸斷面圖

圖2 隧道段普門(mén)沙河河道護(hù)岸斷面圖

4 計(jì)算分析

4.1 三維數(shù)值分析

采用有限元軟件MIDAS GTS選擇平面位置關(guān)系最不利的西扎河、普門(mén)沙河與隧道相交處進(jìn)行河道分層分塊對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖三維計(jì)算分析。取模型大小為300 m×200 m×50 m(長(zhǎng)×寬×高),模型中巖土體采用實(shí)體單元模擬,樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M,隧道主體結(jié)構(gòu)采用板單元模擬。巖土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬,其余采用彈性模型,采用內(nèi)力收斂條件,收斂精度為0.001。整個(gè)三維有限元計(jì)算模型共81 440個(gè)單元,58 000個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。模型采用標(biāo)準(zhǔn)約束形式,模型左右、前后邊界固定水平位移,底部邊界固定豎向位移,約束其豎向及水平向位移,上部邊界為地表自由面；自重荷載取重力加速度。根據(jù)河道開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案模擬河道開(kāi)挖、回筑施工過(guò)程,通過(guò)殺死、激活單元來(lái)模擬土體開(kāi)挖,進(jìn)行河道開(kāi)挖過(guò)程模擬及其土體位移計(jì)算。見(jiàn)圖3～7。

圖3 計(jì)算分析三維模型圖

圖4 河道開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

圖5 河道開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)水平位移

圖6 河道完成回水后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移

圖7 河道完成回水后隧道結(jié)構(gòu)水平位移

根據(jù)三維數(shù)值分析計(jì)算可知,西扎河、普門(mén)沙河開(kāi)挖對(duì)增設(shè)抗拔樁隧道結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力均產(chǎn)生一定的影響。河道開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為2.14 mm,滿(mǎn)足5 mm控制值的要求；河道開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)水平方向位移的最大值為0.24 mm,滿(mǎn)足5 mm控制值的要求。河道護(hù)岸修復(fù)回填、河道回水后,隧道豎向位移降至1.64 mm,水平位移降至0.13 mm,水平、豎向位移均減小。對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)受力,無(wú)論是雙跨單洞單線隧道結(jié)構(gòu)還是單跨單洞雙線隧道結(jié)構(gòu),隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化值均較小。其中,雙跨單洞單線隧道結(jié)構(gòu)的Mxx值變化值最大,由456.2 kN·m增大至508.3 kN·m,該段主體結(jié)構(gòu)變化最大處的彎矩設(shè)計(jì)包絡(luò)值為1 200 kN·m,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2 抗浮檢算

河道開(kāi)挖施工,減少了溫州市域鐵路S1線隧道上方主體重量,相當(dāng)于卸載,因此需要對(duì)已建S1線隧道進(jìn)行抗浮安全性分析。

隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算長(zhǎng)度57.0 m,隧道結(jié)構(gòu)底埋深約10.42 m,結(jié)構(gòu)高度9.0 m,結(jié)構(gòu)寬度21.3 m。運(yùn)營(yíng)期隧道覆土厚度約1.42 m,上覆土浮重度按8 kN/m3考慮。

上覆土重G1=1.42×57×21.3×8=13 792.18 kN；

結(jié)構(gòu)自重G2=60.95×57×25=86 853.75 kN；

浮力F=21.3×9×57×10×1.1=120 195.90 kN；

所需抗拔力N=F-G1-G2=19 550 kN。

抗拔樁自重Gp=3 091.8+3 958.4=7 050.2 kN；

Tuk=Σniλiqsikuili=26 621.15+32 920.49=59 541.64 kN；

Nk=Tuk/2+Gp=16 402.37+20 418.65=36 821.02 kN>N=19 550 kN,滿(mǎn)足抗浮驗(yàn)算。

考慮到河流沖刷或清淤影響,建議在S1線隧道頂板上方增設(shè)混凝土蓋板。按最不利工況考慮,河道基坑開(kāi)挖至S1線隧道頂板,施工期隧道覆土厚度按0 m考慮。

上覆土重G1=0 kN；

結(jié)構(gòu)自重G2=60.95×57×25=86 853.75 kN；

浮力F=21.3×9×57×10×1.1=120 195.90 kN；

所需抗拔力N=F-G1-G2=33 342.15 kN。

抗拔樁根據(jù)前述運(yùn)營(yíng)期計(jì)算結(jié)果：

Nk=Tuk/2+Gp=36 821.02 kN>N=33 342.15 kN,滿(mǎn)足抗浮驗(yàn)算。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)西扎河、普門(mén)沙河開(kāi)挖至隧道結(jié)構(gòu)頂最小距離1.5 m工程實(shí)例,進(jìn)行控制河道開(kāi)挖及護(hù)岸對(duì)市域鐵路的不利影響方案設(shè)計(jì),并進(jìn)行有限元模擬驗(yàn)證可行性,得到如下結(jié)論：

1)河道開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為2.14 mm,滿(mǎn)足5 mm控制值的要求；河道開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)水平方向位移的最大值為0.24 mm,滿(mǎn)足5 mm控制值的要求。河道護(hù)岸修復(fù)回填、河道回水后,豎向、水平位移值均減小。

2)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化值均較小,隧道抗浮驗(yàn)算滿(mǎn)足要求。分析得出,市域鐵路隧道根據(jù)河道設(shè)計(jì)增強(qiáng)基底抗拔樁設(shè)置,是控制后期河道開(kāi)挖對(duì)已運(yùn)營(yíng)隧道上浮形變影響的關(guān)鍵措施。

3)對(duì)進(jìn)一步減小河道開(kāi)挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的建議：河道開(kāi)挖合理選擇開(kāi)挖護(hù)岸方案,控制河道穩(wěn)定性和變形是降低河道開(kāi)挖及護(hù)岸回筑對(duì)河道下方隧道產(chǎn)生不利影響的關(guān)鍵因素。河道開(kāi)挖應(yīng)充分考慮時(shí)空效應(yīng)[3],減少基坑暴露時(shí)間；嚴(yán)格分層分塊作業(yè),每層卸土厚度應(yīng)嚴(yán)格控制；平面上橫向宜先開(kāi)挖隧道上方兩側(cè)的土體,最后開(kāi)挖隧道正上方的土體,宜保持對(duì)稱(chēng)均勻原則,從而減少下臥隧道受荷狀態(tài)的不均勻性。