喬洪磊 梁祖銓 耿建儀 楊新安

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海;2.上海國際機(jī)場(chǎng)股份有限公司,201207,上?！蔚谝蛔髡?博士研究生)

隨著城市交通多樣化、網(wǎng)絡(luò)化及立體化發(fā)展,城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)近接側(cè)穿高架橋的施工日漸增多。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道近接高架橋施工的力學(xué)行為特性展開了一系列的研究:在理論解析方面,文獻(xiàn)[1]分兩個(gè)階段研究了隧道施工對(duì)樁基的影響,并采用半彈性體解析方法求解了樁基的內(nèi)力及變形;文獻(xiàn)[2]通過隧道-土體-樁基的相互作用關(guān)系,提出了隧道施工造成樁基承載力損失進(jìn)而產(chǎn)生樁基沉降的理論。在模型試驗(yàn)方面,文獻(xiàn)[3]通過離心機(jī)試驗(yàn),針對(duì)不同的隧道與樁間距情況,研究了隧道開挖對(duì)樁基的瞬時(shí)和長(zhǎng)期影響。在數(shù)值模擬方面,文獻(xiàn)[4]采用三維有限元方法,分析得到了既有樁基所產(chǎn)生沉降和傾斜規(guī)律;文獻(xiàn)[5]通過FLAC3D軟件,在考慮流固耦合作用下分析了隧道開挖對(duì)鄰近樁基礎(chǔ)性能的影響;在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面,文獻(xiàn)[6]以北京昌平線二期地鐵盾構(gòu)側(cè)穿橋梁為例,采集了橋樁和地面沉降變化數(shù)據(jù),結(jié)合盾構(gòu)推進(jìn)土壓和注漿量,分析了橋樁及橋梁周邊地面的沉降變形情況;文獻(xiàn)[7]結(jié)合成都地鐵5號(hào)線盾構(gòu)側(cè)穿二環(huán)路高架橋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析得到了盾構(gòu)側(cè)穿高架樁基時(shí)雙洞間樁基礎(chǔ)位置為施工高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,局部的施工保護(hù)措施可有效阻隔隧道-圍巖-樁基-地面的變形傳遞的結(jié)論。

合肥市城市軌道交通線路暗挖工程也有多次側(cè)穿高架橋的情況,需研究隧道結(jié)構(gòu)近接側(cè)穿高架橋的施工影響,選用合理的施工方案,以有效提高施工的安全性。本文針對(duì)合肥市軌道交通2號(hào)線天柱路站附屬1號(hào)出入口暗挖隧道(以下簡(jiǎn)稱“暗挖隧道”)側(cè)穿長(zhǎng)江西路高架橋的施工工況,采用MIDAS GTS/NX數(shù)值分析軟件,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),研究該暗挖隧道施工側(cè)穿對(duì)橋梁變形及地面沉降的影響規(guī)律,并提出對(duì)應(yīng)的保護(hù)措施。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)《合肥市軌道交通2號(hào)線工程天柱路站巖土工程勘察報(bào)告》,該暗挖隧道所處地質(zhì)條件如下:

1) 埋深0～4.30 m處含雜色〈1-1〉人工填筑土;

2) 埋深3.00～10.20 m處含灰黃色〈3-1〉黏土;

3) 埋深7.90～12.50 m處含褐黃色〈3-2〉黏土;

4) 埋深10.60～12.80 m處含灰褐色〈4-2〉殘積粉質(zhì)黏土;

5) 埋深11.80～15.80 m處含磚紅色〈8-1〉全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖;

6) 埋深12.80～19.00 m處含磚紅色〈8-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖;

7) 埋深11.50～13.80 m處含磚紅色〈10-1〉全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖;

8) 埋深13.70～20.10 m處含磚紅色〈10-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

1.2 與鄰近的建/構(gòu)筑物關(guān)系

暗挖隧道與長(zhǎng)江西路高架橋的位置關(guān)系如圖1所示。長(zhǎng)江西路高架橋底部?jī)艨占s6.5 m,橋立柱尺寸2.0 m(長(zhǎng))×2.0 m(寬)×6.5 m(高),橋承臺(tái)基礎(chǔ)尺寸6.5 m(長(zhǎng))×6.5 m(寬)×1.2 m(高),橋樁基采用灌注樁,直徑為1.5 m,長(zhǎng)度為25 m,樁間距為4 m。暗挖隧道側(cè)穿長(zhǎng)江西路高架,其外輪廓與樁基間的最小凈距約為3.895 m。

圖1 暗挖隧道與長(zhǎng)江西路高架橋的位置關(guān)系

2 數(shù)值模擬過程

2.1 數(shù)值模型建立

采用MIDAS GTS/NX數(shù)值分析軟件建立了如圖2所示的數(shù)值模型,模型尺寸為65 m(x向)×40 m(z向)×50 m(y向)。模型上邊界取為自由面,左右邊界約束x向位移,下邊界約束z向位移,前后界面約束y向位移。

圖2 數(shù)值分析模型

2.2 參數(shù)取值

暗挖隧道所處地層及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)參數(shù)如表1所示。開挖過程中采用超前支護(hù)+初期支護(hù)+二次襯砌的組合支護(hù)形式,其中超前支護(hù)采用超前管棚+小導(dǎo)管的支護(hù)方式。

表1 暗挖隧道所處地層及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)參數(shù)

2.3 方案工況設(shè)計(jì)

暗挖隧道采用CRD(交叉中隔墻)法施工。由于隧道側(cè)穿施工勢(shì)必會(huì)對(duì)既有高架橋梁帶來非對(duì)稱影響,隧道不同的開挖順序及臺(tái)階長(zhǎng)度均會(huì)造成不同的空間效應(yīng),因此,本文將暗挖隧道分為①、②、③、④ 4個(gè)分部,如圖3所示。

圖3 暗挖隧道采用CRD法施工的4個(gè)分部

本文選取左右導(dǎo)洞掌子面前后間隔15 m的4種工況進(jìn)行分析,其中:工況1按照①→②→③→④的順序開挖,上下相鄰導(dǎo)洞的開挖施工間隔為3 m;工況2按照①→②→③→④的順序開挖,上下相鄰導(dǎo)洞的開挖施工間隔為6 m;工況3 按照③→④→①→②的順序開挖,上下相鄰導(dǎo)洞的開挖施工間隔為3 m;工況4按照③→④→①→②的順序開挖,上下相鄰導(dǎo)洞的開挖施工間隔為6 m。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

在模擬過程中對(duì)地面沉降,以及橋梁承臺(tái)基礎(chǔ)、橋梁立柱和橋梁樁基礎(chǔ)的變形進(jìn)行監(jiān)控量測(cè),對(duì)比最終結(jié)果,并對(duì)實(shí)際工程施工方法進(jìn)行比選。

3.1 地面沉降對(duì)比分析

在斷面1(見圖2)設(shè)置地面監(jiān)測(cè)點(diǎn),得到4種工況下地面沉降曲線如圖4所示。圖4中:橫軸坐標(biāo)等于0處為隧道中線斷面,取遠(yuǎn)離承臺(tái)方向?yàn)檎颉Ｓ蓤D4可知,4種工況下地面沉降值呈現(xiàn)工況1>工況3>工況2>工況4的規(guī)律;對(duì)比高架橋承臺(tái)邊緣處的地面沉降與無承臺(tái)區(qū)域的地面沉降,可明顯發(fā)現(xiàn)高架橋承臺(tái)邊緣處的地面沉降量小于無承臺(tái)區(qū)域的地面沉降量,其原因推測(cè)為橋梁樁體對(duì)地層的摩阻力使得地面沉降受到一定的抑制;隧道中線向高架側(cè)的地面沉降值呈現(xiàn)工況1>工況3>工況2>工況4的規(guī)律;工況4為最優(yōu)工況。

圖4 不同工況下斷面1的地面沉降曲線

3.2 橋梁承臺(tái)、立柱變形對(duì)比分析

由于暗挖隧道的側(cè)穿開挖,橋梁承臺(tái)及橋墩產(chǎn)生了一定的水平變形及豎向變形,且呈現(xiàn)靠近隧道側(cè)承臺(tái)、立柱的變形大于遠(yuǎn)離隧道側(cè)變形承臺(tái)、立柱的變形規(guī)律。為方便后續(xù)分析,把隧道近側(cè)的承臺(tái)及立柱編號(hào)為承臺(tái)1及立柱1,隧道遠(yuǎn)側(cè)的承臺(tái)及立柱編號(hào)為承臺(tái)2及立柱2(見圖2)。不同工況下橋梁各承臺(tái)、立柱的沉降差對(duì)比如表2所示,傾斜度對(duì)比如表3所示。

表2 不同工況下各承臺(tái)、立柱的沉降差對(duì)比

表3 不同工況下各承臺(tái)、立柱的傾斜度對(duì)比

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,沉降差的一級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)為5 mm,傾斜度的控制標(biāo)準(zhǔn)為1‰。由表2及表3可知:4種工況均符合標(biāo)準(zhǔn)要求;各承臺(tái)、橋柱的沉降差及傾斜度均呈現(xiàn)工況1>工況2>工況3>工況4的規(guī)律;工況4為最優(yōu)工況。

3.3 橋梁樁基變形對(duì)比分析

受暗挖隧道側(cè)穿的影響,橋梁樁基將產(chǎn)生一定的彎曲變形,且呈現(xiàn)越靠近隧道側(cè)樁基的變形越劇烈的規(guī)律。為進(jìn)一步探究隧道側(cè)穿對(duì)高架橋梁樁基的變形影響,選取圖2中承臺(tái)1下方靠近隧道側(cè)的樁基進(jìn)行變形分析,得到不同工況下該樁基的水平變形曲線如圖5所示。圖5中:水平變形等于0處為所選樁基的斷面,取趨向隧道側(cè)的變形為正向。

圖5 不同工況下所選樁基的水平變形曲線

由圖5可知:隨著樁基埋深的增加,樁基的水平變形呈現(xiàn)從水平正向到水平負(fù)向再到水平正向的變形趨勢(shì);樁體最大水平變形位于樁頂位置;4種工況下的樁頂水平變形呈現(xiàn)出工況1>工況2>工況3>工況 4的規(guī)律。

不同工況下所選樁基的豎向變形如圖6所示,取豎直向上變形為正向。由圖6可知:隨著樁基埋深的增加,樁基的豎向變形呈現(xiàn)從豎直向下變形到豎直向上變形的趨勢(shì),其原因可能是由于暗挖隧道開挖導(dǎo)致隧道拱底附近地層卸荷,進(jìn)而導(dǎo)致土體回彈;樁體最大豎直向下變形位于樁頂位置;4種工況下的樁頂變形呈現(xiàn)出工況1>工況2>工況3>工況4的規(guī)律。

圖6 不同工況下所選取樁基的豎向變形曲線

因此,針對(duì)橋梁樁基的變形分析中,工況4為最優(yōu)工況。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

該暗挖隧道側(cè)穿既有高架橋梁工程實(shí)際施工時(shí),選用工況4,即先開挖遠(yuǎn)離高架側(cè)的分部、6 m臺(tái)階長(zhǎng)度且左右導(dǎo)洞掌子面前后間隔15 m的CRD工法施工,并將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 地面沉降實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比

監(jiān)測(cè)斷面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置以隧道中心軸線為中心,向兩側(cè)以5 m/個(gè)的間隔布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),同時(shí)考慮高架承臺(tái)邊緣等特殊點(diǎn)靈活布點(diǎn)。隧道施工行進(jìn)方向每隔20 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,且在隧道側(cè)穿高架區(qū)段在中線位置加密了1組監(jiān)測(cè)斷面,加密后施工行進(jìn)方向監(jiān)測(cè)斷面的間隔變?yōu)?0 m。選取圖2中的斷面1,將地面沉降模擬值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:地面實(shí)測(cè)沉降變化曲線與模擬沉降變化曲線基本一致,兩者的差值均小于0.5 mm,由此驗(yàn)證了本次模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性;沉降量均小于現(xiàn)行規(guī)范要求(小于30 mm),可保證施工安全。

4.2 橋梁樁基沉降實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比

長(zhǎng)江西路高架橋承臺(tái)下設(shè)置4根樁,沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在承臺(tái)下側(cè)中心位置。布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),采用水準(zhǔn)儀對(duì)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量,確定標(biāo)高后修整出1塊尺寸為400 mm(長(zhǎng))×400 mm(寬)的平面,并在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝物位計(jì)。選取3.3節(jié)變形最顯著的承臺(tái)1下方靠近隧道側(cè)的樁基進(jìn)行樁頂沉降監(jiān)測(cè),其實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 承臺(tái)1下方靠近隧道側(cè)樁頂沉降的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖8可知:樁基實(shí)測(cè)沉降變化曲線與模擬沉降變化曲線基本一致,二者差值均小于0.1 mm;最終沉降現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)值略大于數(shù)值模擬值,但二者均小于沉降控制標(biāo)準(zhǔn)(10 mm),這證明暗挖隧道的側(cè)穿并未影響高架橋的安全運(yùn)作。

5 結(jié)語

1) 對(duì)于側(cè)穿既有高架橋梁淺埋暗挖隧道施工,先開挖遠(yuǎn)離高架側(cè)施工部的工況優(yōu)于先開挖靠近高架側(cè)施工部的工況,且CRD工法中6 m臺(tái)階長(zhǎng)度工況優(yōu)于3 m臺(tái)階長(zhǎng)度工況。

2) 隧道上方地面沉降在CRD工法前3部開挖及拆除支撐時(shí)產(chǎn)生的變化較大,而后趨于穩(wěn)定;承臺(tái)邊緣處由于橋梁樁體受地層摩阻力的限制,其沉降較隧道上方地面沉降有所減小。

3) 淺埋暗挖隧道側(cè)穿施工對(duì)橋梁承臺(tái)和樁基水平變形的影響大于其豎向變形的影響,對(duì)靠近淺埋暗挖隧道側(cè)承臺(tái)和樁基的影響大于對(duì)遠(yuǎn)淺埋暗挖隧道側(cè)承臺(tái)和樁基的影響。

綜上所述,對(duì)該暗挖隧道可針對(duì)性地采取以下保護(hù)措施:采用注漿、冰凍帷幕及隔斷樁等方法阻斷隧道開挖對(duì)鄰近建筑物的影響;加強(qiáng)樁基、地基等結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度,提高其抵抗地層變形的能力;對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行頂托補(bǔ)償和注漿補(bǔ)償,以達(dá)到控制沉降的目的。