地铁大跨暗挖隧道下穿桥隧结构变形影响分析

2019-05-31宋艺

城市轨道交通研究 2019年5期

宋艺

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),710043,西安//工程师)

随着我国城市轨道交通建设的快速发展，新建地铁区间隧道不可避免地要下穿既有隧道或桥梁，因此，在保证新建隧道施工安全的同时，更要严格控制已有桥隧结构的变形。结构变形过大将会影响既有隧道净空及桥梁内力，从而不能满足既有桥隧结构的正常使用[1]。因此，正确分析和预测新建隧道施工引起的既有桥隧结构变形规律十分重要。

文献[2-3]认为近距离大断面暗挖隧道引起的上部既有地铁隧道位移以沉降为主，隧道扭转变形和横向变形都很小，最大沉降发生在变形缝处。文献[4]对浅埋暗挖区间隧道下穿既有盾构区间隧道引起的变形特性分析表明，盾构隧道呈现柔性变形，纵向柔性变形更为明显，既有结构的存在显著减小了暗挖隧道引起的地表沉降。文献[5]基于弹性地基梁模型，推导了既有隧道受新建隧道垂直下穿施工影响而产生的纵向沉降曲线表达式、纵向应力计算公式及既有隧道所能承受的极限沉降表达式，定量评价了新建隧道垂直下穿施工对上部既有隧道纵向变形和内力的影响。

文献[6]的研究结果表明，在合理的实施方案下，暗挖区间隧道下穿桥桩是可行的，有限元模型可合理地预测隧道下穿桥桩的变形。文献[7]通过数值模拟分析了地铁双线隧道在开挖和支护过程中，临近桩基内力与变形的变化规律；分析结果表明桩基轴力有明显的负摩阻增大，桩基负摩阻力急剧增长会造成桩基承载力降低，故新建隧道施工应采取对应措施。文献[8]就新建地铁工程对运营铁路桥的影响进行了数值模拟分析，为新建地铁区间隧道施工过程对铁路桥影响的预测评估提供了依据。

以上文献对新建区间隧道下穿既有隧道或桥梁结构的变形影响进行了详细分析和阐述，但尚未见到新建大跨暗挖隧道同时下穿既有桥梁和隧道方面的研究文献。

本文以某地铁区间单洞双线大跨暗挖隧道同时下穿既有桥隧结构施工为例，对既有桥梁与隧道的结构变形进行实测数据分析及数值模拟验证，以期得出在现有条件下既有结构的沉降变形规律和特点，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

某新建地铁区间隧道位于城市主干道下方。由于受到地质条件和两侧建筑物的限制，隧道部分区段采用大跨浅埋暗挖单洞双线的形式，开挖宽度14.10 m，内径宽12.40 m，高7.97 m，初支厚0.30 m，二衬厚0.55 m。在区间YDK 21+880—YDK 21+920处下穿既有市政匝道桥及隧道结构。匝道桥为跨度30 m简支梁桥、双车道，桥面宽13.50 m，基础为直径1.20 m钻孔桩。市政隧道结构内径宽13.76 m，采用端墙式洞门，明洞结构厚度85 cm，二衬厚度65 cm，平面线型由连续小半径曲线构成，隧道总长111.07 m。地铁区间隧道距离既有桥桩基最近距离为8.63 m，距离既有隧道结构最近距离为23.90 m。各结构平面及纵断面位置关系如图1和图2所示。

图1 新建隧道与既有桥隧结构平面位置关系

该区段无地表水系。地下水按赋存介质可分为3类：赋存于第四系地层中的松散岩类孔隙水，赋存于残积层及全、强风化带中的风化残积孔隙裂隙水，赋存于碎裂状强风化带以下的基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要为赋存于表层人工填土中的上层滞水，补给主要来源为大气降水；风化残积孔隙裂隙水主要接受来自山岩体中基岩裂隙水的侧向补给；局部山体出露高程较大的裸露基岩区完全接受大气降水补给，大气降水沿基岩裂隙下渗，汇集形成基岩裂隙水，延伸至沟谷洼地覆盖层下的基岩构造带中的裂隙水，由于补给区位置高，地下水多具承压性质。地下水的动态变化受年降水量变化规律的控制，地下水位年变幅一般3～5 m。

图2 新建隧道与既有桥隧结构纵断面位置关系

2 新建地铁区间隧道施工

2.1 隧道衬砌结构

隧道下穿段具有地面交通车流量大，地下管线复杂等特点，且本身结构形式及受力情况复杂，施工工序多，地面沉降控制较为严格。隧道设计时采用复合式衬砌结构，拱墙及拱顶设置砂浆锚杆，按中隔壁法(CD法)进行施工。

衬砌结构为:① 初期支护——喷射混凝土为C25混凝土，厚度30 cm；钢筋网为φ8 mm钢筋，间距20 cm×20 cm，全环双层设置；钢架采用φ22 mm格栅钢架，间距为75 cm；② 二次衬砌——采用C40防水混凝土，厚度为55 cm，仰拱紧跟开挖面进行浇筑，其余段二次衬砌滞后20 m进行施工；③ 临时支撑，中隔壁临时支撑采用工18工字钢、φ8 mm钢筋网联合支护，支撑间距同初期支护钢架间距。

2.2 隧道施工措施及工法

(1) 系统锚杆。拱墙设置φ22 mm砂浆锚杆，纵向间距1.5 m，环向间距1.5 m，梅花型布设，长度2.5 m，砂浆强度不低于M 20。

(2) 封闭裂隙水注浆。隧道开挖时如遇岩石裂隙发生面状或线状渗漏水，采用封闭裂隙水注浆堵水。注浆孔孔口间距1.0～1.5 m，孔径采用50 mm，注浆压力采用0.5～1.0 MPa。下穿段衬砌支护如图3所示。

注：尺寸单位除注明者外均为mm

(3) 根据详勘报告给出的地质围岩情况，并结合周边环境情况，确定隧道开挖采用中隔壁法(CD法)6步进行施工。开挖工序如图4所示。

图4 新建隧道下穿段施工工序

3 既有隧桥结构的变形规律分析

3.1 隧道开挖引起的上覆地层变形规律

1969年，Peck等[9-11]对隧道施工引起的地表沉降问题进行了研究，认为隧道开挖引起的底边沉降槽可以用高斯分布拟合，并提出了著名的Peck公式。根据Peck公式，单洞隧道开挖引起的地表沉降为:

(1)

式中:

s(x)——距离隧道中心轴线处的地表沉降;

A——开挖面积;

i——从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离;

V1——地层损失率。

文献[12]提出的地层中任意深度(z)处沉降槽宽度表达式如下：

i(z)=K(z)(z0-z)

(2)

式中:

K(z)——沉降槽宽度系数，与土的性质有关，土质的黏聚性越强K值越大；

z0——新建隧道轴线深度。

3.2 Peck公式拟合既有结构变形

利用式(1)对新建隧道开挖后引起的既有隧道及桥面沉降进行拟合，结果如图5～7所示。

图5 新建隧道下穿段施工引起的既有隧道结构沉降曲线

图6 新建隧道下穿段施工引起的既有匝道桥桥面沉降曲线

图7 新建隧道下穿段施工引起的既有桥隧结构沉降曲线

由图5～7可以看出：

(1) 新建隧道开挖引起的上覆既有隧道最大沉降值为8.61 mm，引起的既有桥梁桥面最大沉降值为7.88 mm。

(2) 利用Peck公式能够较好地拟合既有隧道的沉降值，拟合曲线呈现出明显的拐点及沉降槽宽度；匝道桥桥面沉降拟合曲线则未呈现出明显的拐点，曲线较为平直；将两组数据放在一起时，拟合曲线为明显的“单凹槽状”Peck曲线。

(3) 在既有桥隧分界处的变形缝数值有明显的突变，说明两个结构会在变形缝处产生较明显的不均匀沉降，不均匀沉降值为0.73 mm。

3.3 地层损失率及沉降槽宽度分析

根据实测结果及拟合曲线计算得到地层损失率为0.204%～0.237%。文献[13-14]中指出，在天然地层中地层损失率为0.22%～6.90%。新建隧道在粉质黏土层、中细砂层及卵石粒岩层中，不采用注浆等辅助措施时地层损失率为0.76%～0.97%，采用注浆加固等措施后地层损失率为0.20%～0.25%。实测计算得到的地层损失率为天然地层中较低的水平，且与加固后的地层损失率相符，说明新建隧道在Ⅲ级围岩中采用了锚杆支护和中隔壁法6步开挖，进尺短、支护及时，且采用了工字钢(工18)作为临时支撑，有效地减小了隧道的沉降和收敛，将地层损失率控制在较低的水平。

既有隧道结构的沉降值拟合曲线平顺，沉降槽宽度(L/2)大约为45 m；既有桥梁的沉降拟合曲线没有表现出理想的Peck曲线形状，沉降槽宽度(L/2)达到50～60 m，这可能是隧道开挖引起桥桩沉降，带动刚性桥面沉降所致。将桥隧的实测点放在一起后，拟合得到的沉降槽宽度大约为100 m，经计算沉降槽宽度系数K=4.8，与文献[15]等计算的区间下穿地铁结构的沉降槽宽度系数相比偏大，其原因主要是该地区新建隧道主要穿越的地层为岩层，黏聚力比文献中的大得多。