楊中正

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

地鐵區(qū)間隧道敷設(shè)路段地形整體平緩，下穿區(qū)段圍巖等級為Ⅴ級，地表下依次為混凝土路面、人工填土層、中風(fēng)化灰?guī)r；其中拱頂以上部分位于中風(fēng)化灰?guī)r層內(nèi)，仰拱底部位于中風(fēng)化巖層內(nèi)；區(qū)段內(nèi)無地表水分布，地下水主要為松散層孔隙水、基巖裂隙水及碳酸鹽巖溶管道水，地下水位埋深6.1～7.5m，標(biāo)高1243.7～1256.9m。場地所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。

1.2 隧道及箱涵概況

地鐵區(qū)間隧道采用礦山法施工，為馬蹄形斷面結(jié)構(gòu)，開挖跨度為6.76m，高度為7.26m，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。市政路箱涵為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，凈高約7.7m，凈寬約21m，于2015年底建成并通車。

1.3 相互關(guān)系

地鐵區(qū)間右線于YDK21+128～ZDK21+163段、左線于ZDK21+128～ZDK21+163段下穿市政公路箱涵，箱涵與區(qū)間線路基本正交，箱涵底板與隧道頂板的凈距約2m。地鐵區(qū)間隧道與公路箱涵平面關(guān)系示意見圖1。

圖1 地鐵區(qū)間隧道與公路箱涵平面關(guān)系示意

2 設(shè)計方案

2.1 加強(qiáng)超前支護(hù)

區(qū)間隧道超前支護(hù)采用雙層φ42超前小導(dǎo)管，注漿后對注漿效果進(jìn)行檢驗，確保涵底巖層軟弱部位有效填充，保證隧道開挖拱部與涵底之間圍巖密實(shí)，嚴(yán)控箱涵沉降。探測發(fā)現(xiàn)軟弱部位時，采用小導(dǎo)管進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。注漿過程中注意注漿導(dǎo)管與涵底的距離控制，保證相應(yīng)的安全距離，適當(dāng)調(diào)整注漿導(dǎo)管打設(shè)角度、方向及注漿壓力，避免箱涵與導(dǎo)管發(fā)生沖突或由于注漿壓力過大造成的箱涵混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

2.2 優(yōu)化襯砌支護(hù)參數(shù)

考慮隧道與箱涵的相互影響，對本段內(nèi)隧道襯砌結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng)，以確保其結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。區(qū)間隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其中初期支護(hù)為28cm 厚C25網(wǎng)噴混凝土，內(nèi)置工20b型鋼鋼架，并鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿，二次襯砌為50cm厚C35鋼筋混凝土(表1)。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)表

2.3 優(yōu)化施工方法

(1)隧道下穿箱涵段采用人工或機(jī)械開挖，不采用常規(guī)爆破開挖。環(huán)向初期支護(hù)鋼架、豎向支撐鋼架開挖一榀支護(hù)一榀，逐榀成環(huán)推進(jìn)[1]。根據(jù)圍巖情況及周邊建構(gòu)物情況必要時對掌子面噴射5cm混凝土封閉，并隨挖隨噴，避免掌子面掉塊、坍塌，架設(shè)臨時橫撐；盡早施作二次襯砌。

(2)下穿段采用臺階法開挖，開挖后立即封閉上臺階開挖面，上臺階初支形成后立即對初支背后進(jìn)行回填注漿填充。上臺階每循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺不應(yīng)大于1榀鋼架間距，邊墻每循環(huán)開挖支護(hù)不得大于2榀[2]。仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不應(yīng)大于3m，并及時封閉初支鋼架，初支鋼架封閉距離掌子面不超過0.5倍洞徑。

2.4 加強(qiáng)監(jiān)控量測

隧道施工期間應(yīng)開展監(jiān)控量測，必測項目有洞內(nèi)外觀察及掌子面地質(zhì)描述、拱頂下沉量測、周邊位移收斂量測、地表下沉量測，其他項目為選測項目，包括初期支護(hù)和二次襯砌內(nèi)力、錨桿軸力，圍巖與支護(hù)間的壓力和圍巖內(nèi)部位移的量測等[3-4]。

隧道下穿段施工時加密監(jiān)測斷面，按照5m一處布設(shè)洞內(nèi)監(jiān)測斷面，對洞內(nèi)變形情況進(jìn)行監(jiān)控量測，觀察描繪洞內(nèi)及地表沉降變化趨勢；對洞外箱涵按照10m一處測點(diǎn)布設(shè)，箱涵每個橫斷面布置四個測點(diǎn)，分別位于結(jié)構(gòu)兩側(cè)隔墻上部及底板，測點(diǎn)布置務(wù)必與箱涵結(jié)構(gòu)有效接觸，能夠及時反映箱涵結(jié)構(gòu)沉降情況，不能超過安全限值，預(yù)警值為沉降限值的70%。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)值、變形趨勢及時驗證并修正箱涵下方區(qū)間隧道工程措施。

3 計算依據(jù)

3.1 模型及參數(shù)

采用MIDAS/GTS有限元分析軟件進(jìn)行內(nèi)力計算。隧道的施工開挖模擬采用地層—結(jié)構(gòu)模型；二襯與初支圍巖的相互作用采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，二襯采用彈性梁單元模擬，二襯與初期支護(hù)和圍巖的相互作用采用只能受壓的徑向彈簧單元模擬[5]。計算荷載按《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157-2013)及《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003-2016)(以下簡稱《隧規(guī)》)等考慮圍巖壓力、地面荷載(車輛荷載與路面超載)及水壓力等[6-7]。

圍巖及襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)按工程勘察報告及《隧規(guī)》取值[7]，計算中考慮復(fù)合襯砌背后完全回填密實(shí)，計算均假定襯砌背后圍巖能提供彈性反力。具體取值見表2～3。

表2 圍巖計算參數(shù)表

表3 襯砌材料參數(shù)表

3.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

下穿區(qū)段安全性的判定標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)在兩個方面，一是隧道結(jié)構(gòu)自身的施工及運(yùn)營安全，二是隧道下穿引起的箱涵的安全性。

由此，模型的截面強(qiáng)檢算按照破損階段法檢算，二襯按照偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行檢算分析。隧道結(jié)構(gòu)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)可按照《隧規(guī)》執(zhí)行，如表4所示。

表4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

根據(jù)市政公路的營運(yùn)速度，結(jié)合規(guī)范、主管部門意見以及國內(nèi)外地鐵施工經(jīng)驗，為保證箱涵的安全性，采用如下控制標(biāo)準(zhǔn)：箱涵最大沉降值不超過15mm，差異沉降值不超過5mm。

4 影響分析

4.1 隧道開挖對箱涵的影響

隧道下穿箱涵段落采用臺階法施工，為人工或機(jī)械開挖。考慮隧道影響范圍一般為3倍洞徑，因此模型左右側(cè)取區(qū)間隧道最外邊沿20m，下側(cè)取區(qū)間隧道最下邊沿20m，上側(cè)為地表面?？v向上考慮箱涵的影響范圍，取箱涵兩側(cè)各20m。計算分析邊界條件取為：計算土體的底面約束豎直方向z的自由度，計算土體的側(cè)面約束側(cè)向x、y方向的自由度，地表為自由面。模型如圖2～3所示。

圖2 計算模型圖

圖3 箱涵與區(qū)間隧道平、立、縱相對位置關(guān)系圖

地層巖體采用4節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬，隧道襯砌及箱涵結(jié)構(gòu)采用3節(jié)點(diǎn)三角形板單元模擬[8]。整個模型共有126926個有限元單元，21560個節(jié)點(diǎn)。同時考慮地表車輛荷載以及箱涵底板車輛荷載，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)，車輛荷載按均布荷載且q=10.5 kPa考慮[9]。

結(jié)合類似工程實(shí)例，開挖引起的側(cè)向水平位移較小，可忽略不計[10]，本文主要分析區(qū)間開挖引起的箱涵豎向沉降，即在進(jìn)行變形分析時主要考慮z方向上的位移。整體模型豎向位移、箱涵與區(qū)間隧道相對豎向位移如圖4～8所示。

圖4 模型整體位移圖

圖5 箱涵與隧道相對位移圖

由以上工況分析可知：(1)區(qū)間隧道開挖后產(chǎn)生的最大拱頂沉降約為9.2mm，最大拱底隆起9.5mm，兩者相差不大；(2)箱涵產(chǎn)生整體向下的豎向沉降位移，沉降量較區(qū)間隧道小。

圖6 箱涵整體位移圖

圖7 箱涵底板位移圖

由以上工況分析可知：(1)箱涵整體位移呈中間大兩側(cè)小的的趨勢，呈對稱狀；(2)若取箱涵底板單獨(dú)研究分析，左右箱涵底板位移基本相同。箱涵在區(qū)間隧道正上方區(qū)域沉降較大，其余區(qū)域沉降較?。?3)任取某一箱涵底板中線，提取其沉降曲線，可分析出箱涵的底板沉降槽曲線在區(qū)間隧道開挖處沉降較大，向其它區(qū)域延伸，沉降值則逐漸變小。

圖8 箱涵底板沉降槽曲線圖

因此，依據(jù)計算結(jié)果，箱涵最大沉降值約為4.02mm，最小沉降值為2.97mm，滿足箱涵沉降值不超過15mm且差異沉降值不超過5mm的要求，箱涵結(jié)構(gòu)是安全的。

4.2 隧道結(jié)構(gòu)安全分析

隧道與箱涵之間存在約2m厚的巖層，按淺埋隧道考慮將該巖層、箱涵結(jié)構(gòu)及地表的車輛附加荷載全部施加在隧道二襯結(jié)構(gòu)上；水位線位于區(qū)間隧道拱頂以上約4.5m，按靜水壓力直接作用于二襯。襯砌結(jié)構(gòu)荷載詳見表5。

表5 襯砌結(jié)構(gòu)荷載計算表

將荷載施加在二襯結(jié)構(gòu)上，可以確定出現(xiàn)正負(fù)彎矩絕對值較大的幾個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)，提取關(guān)鍵點(diǎn)的軸力和彎矩進(jìn)行襯砌安全系數(shù)如表6所示。

表6 隧道結(jié)構(gòu)主要部位鋼筋混凝土安全性檢算

因此，依據(jù)上述計算結(jié)果，隧道的二次襯砌結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且無需進(jìn)行裂縫檢算，隧道結(jié)構(gòu)是安全的。

5 工程實(shí)施

區(qū)間隧道下穿施工時對隧道自身和公路箱涵進(jìn)行監(jiān)控量測，隧道自身按5m一處布設(shè)洞內(nèi)監(jiān)測斷面；箱涵按10m一處布設(shè)監(jiān)測斷面，測點(diǎn)布置于結(jié)構(gòu)兩側(cè)、隔墻上部及底板。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，箱涵沉降在區(qū)間隧道開挖至其正下方時達(dá)到最大，取下穿中心及前后兩處測量斷面的箱涵底板、隧道拱頂數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，箱涵及隧道自身沉降結(jié)果如表7所示。

表7 箱涵及隧道自身沉降結(jié)果表

注：DX-3、DS-9分別為下穿中心處箱涵底板及隧道拱頂測點(diǎn)樁號。

數(shù)據(jù)表明，箱涵及隧道自身沉降均滿足控制要求，計算分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值相差不大。

6 結(jié)語

本文主要對地鐵區(qū)間暗挖礦山法隧道與市政公路箱涵的基本情況進(jìn)行分析，圍繞“采取加強(qiáng)超前支護(hù)、優(yōu)化襯砌支護(hù)參數(shù)、優(yōu)化施工方法以及加強(qiáng)監(jiān)控量測”幾個方面提出了設(shè)計方案，并運(yùn)用MIDAS/GTS有限元軟件分析了隧道開挖過程中箱涵的沉降變形規(guī)律以及隧道自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論。

(1)地鐵隧道下穿箱涵施工時，區(qū)間隧道拱頂與箱涵底板均產(chǎn)生豎向沉降位移，而后者較前者小;

(2)隧道的開挖將引起上方箱涵的豎向不均勻沉降，最大沉降值為4.02mm，實(shí)測最大沉降值為3.57mm，滿足沉降控制值的要求;

(3)隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)超前與襯砌支護(hù)，采用機(jī)械開挖對下穿施工有著積極的作用，有效減小了箱涵的沉降，削弱了不利影響;

(4)該地鐵區(qū)間已順利通車，期間加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)量測數(shù)據(jù)以指導(dǎo)施工，是隧道成功下穿箱涵的重要保障。