河道开挖改造对既有市域铁路隧道的影响分析

黄 伟

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概况

龙湾区奥体片河道整治工程包括普门沙河、丰台横河和西扎河,大部分为新开河道,河道总长1 972.98 m,护岸总长3 836.87 m。其中西扎河,控制河宽为19～60 m,丰台横河控制河宽为20 m。河道两侧绿化带宽度均为15 m,规划河道底高程均为0.0 m；普门沙河控制河宽为9～10.6 m,两侧绿化带宽度8 m,规划河道底高程0.0 m。

河道护岸型式结合沿线土地用途及景观等布置要求,采用干砌块石挡墙、浆砌块石挡墙,结合景石、亲水踏步、台阶等措施形成具有防洪效益和生态型式的护岸长廊。

温州市域铁路S1线明挖隧道DK33+800～DK34+040段与西扎河相交；DK34+450～DK34+480段与普门沙河相交,相交处河道位于明挖隧道上方,河道开挖线距隧道结构顶的最小距离约1.5 m。

2 工程地质条件

拟建区域属于冲海积平原区,地势平坦开阔,地表高差较小,多为农田,村镇,道路等。该区域属亚热带季风气候,兼受海洋对气候调节作用,具有季风明显,四季分明,温暖湿润,冬无严寒,夏无酷暑,光照充足,雨量丰富。从上到下地层依次为：种植土、黏土、淤泥、淤泥质黏土、黏土、粗砂、粉质黏土。见表1。深厚层软土为本工程的主要特殊岩土,尤其是软土地基的强度低、稳定性差和不均匀沉降及变形大等问题,是主要工程地质问题,这些问题可以通过桩基加以解决。

地铁明挖隧道穿越杂填土、黏土,基底为淤泥质粉质黏土。

3 设计概况

由于项目所处地层主要以淤泥为主,这类土强度低、含水量高、压缩性高,渗透系数非常小,并且具有明显的流变性,多数还具有高灵敏度的结构性。根据工程进展情况,河道项目滞后于温州市域铁路S1线施工,河道开挖引起的变形主要是河道底部市域铁路隧道结构的变形、河道底部土体的变形以及河道外土体的变形,将对河道周边的环境产生一定的影响。如果不采取相应措施,市域铁路隧道结构可能会位移量过大,进而影响市域铁路运营安全等问题,因此西扎河和普门沙河规划阶段要求市域铁路隧道设计考虑两河道设计河底标高,隧底增加抗拔桩以抵抗河道开挖引起不利影响。

表1 地层物理力学参数

与市域铁路相交段西扎河采用干砌块石挡墙护坡[1],河底设0.35 m厚C25混凝土板；普门沙河采用C25混凝土挡墙护坡,河底设0.5 m厚C25混凝土板。两河道开挖均不得破坏隧道顶板上覆1 m厚黏土隔水层,交叉处河道开挖线距隧道结构顶的最小距离仅为1.5 m。隧道上方河道采用分层、分块对称开挖及护岸回筑以控制对隧道产应影响。

温州市域铁路S1线区间隧道为地下连续支护明挖顺筑结构,因隧底为淤泥,结构底设直径0.8 m抗拔桩[2],隧道结构采用C45防水钢筋混凝土。其中DK33+800～DK33+871.400为双跨带隔墙单层结构,结构总宽度13.6～21.3 m；DK33+871.400～DK33+977.532为单跨单层,结构总宽度13.6～15.4 m；DK34+450～DK34+480为双跨带隔墙单层结构,结构总宽度12.8～15.4 m。见图1、图2。

图1 隧道段西扎河河道护岸断面图

图2 隧道段普门沙河河道护岸断面图

4 计算分析

4.1 三维数值分析

采用有限元软件MIDAS GTS选择平面位置关系最不利的西扎河、普门沙河与隧道相交处进行河道分层分块对称开挖三维计算分析。取模型大小为300 m×200 m×50 m(长×宽×高),模型中岩土体采用实体单元模拟,桩基础采用梁单元模拟,隧道主体结构采用板单元模拟。岩土体本构模型采用修正摩尔-库伦模型进行模拟,其余采用弹性模型,采用内力收敛条件,收敛精度为0.001。整个三维有限元计算模型共81 440个单元,58 000个结构节点。模型采用标准约束形式,模型左右、前后边界固定水平位移,底部边界固定竖向位移,约束其竖向及水平向位移,上部边界为地表自由面；自重荷载取重力加速度。根据河道开挖设计方案模拟河道开挖、回筑施工过程,通过杀死、激活单元来模拟土体开挖,进行河道开挖过程模拟及其土体位移计算。见图3～7。

图3 计算分析三维模型图

图4 河道开挖引起隧道结构竖向位移

图5 河道开挖引起隧道结构水平位移

图6 河道完成回水后隧道结构竖向位移

图7 河道完成回水后隧道结构水平位移

根据三维数值分析计算可知,西扎河、普门沙河开挖对增设抗拔桩隧道结构的变形和内力均产生一定的影响。河道开挖引起隧道结构竖向位移最大值为2.14 mm,满足5 mm控制值的要求；河道开挖引起隧道结构水平方向位移的最大值为0.24 mm,满足5 mm控制值的要求。河道护岸修复回填、河道回水后,隧道竖向位移降至1.64 mm,水平位移降至0.13 mm,水平、竖向位移均减小。对于隧道结构受力,无论是双跨单洞单线隧道结构还是单跨单洞双线隧道结构,隧道结构内力变化值均较小。其中,双跨单洞单线隧道结构的Mxx值变化值最大,由456.2 kN·m增大至508.3 kN·m,该段主体结构变化最大处的弯矩设计包络值为1 200 kN·m,满足设计要求。

4.2 抗浮检算

河道开挖施工,减少了温州市域铁路S1线隧道上方主体重量,相当于卸载,因此需要对已建S1线隧道进行抗浮安全性分析。

隧道结构计算长度57.0 m,隧道结构底埋深约10.42 m,结构高度9.0 m,结构宽度21.3 m。运营期隧道覆土厚度约1.42 m,上覆土浮重度按8 kN/m3考虑。

上覆土重G1=1.42×57×21.3×8=13 792.18 kN；

结构自重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。

抗拔桩自重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,满足抗浮验算。

考虑到河流冲刷或清淤影响,建议在S1线隧道顶板上方增设混凝土盖板。按最不利工况考虑,河道基坑开挖至S1线隧道顶板,施工期隧道覆土厚度按0 m考虑。

上覆土重G1=0 kN；

结构自重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。

抗拔桩根据前述运营期计算结果：

Nk=Tuk/2+Gp=36 821.02 kN>N=33 342.15 kN,满足抗浮验算。

5 结 语

针对西扎河、普门沙河开挖至隧道结构顶最小距离1.5 m工程实例,进行控制河道开挖及护岸对市域铁路的不利影响方案设计,并进行有限元模拟验证可行性,得到如下结论：

1)河道开挖引起隧道结构竖向位移最大值为2.14 mm,满足5 mm控制值的要求；河道开挖引起隧道结构水平方向位移的最大值为0.24 mm,满足5 mm控制值的要求。河道护岸修复回填、河道回水后,竖向、水平位移值均减小。

2)隧道结构内力变化值均较小,隧道抗浮验算满足要求。分析得出,市域铁路隧道根据河道设计增强基底抗拔桩设置,是控制后期河道开挖对已运营隧道上浮形变影响的关键措施。

3)对进一步减小河道开挖对隧道结构影响的建议：河道开挖合理选择开挖护岸方案,控制河道稳定性和变形是降低河道开挖及护岸回筑对河道下方隧道产生不利影响的关键因素。河道开挖应充分考虑时空效应[3],减少基坑暴露时间；严格分层分块作业,每层卸土厚度应严格控制；平面上横向宜先开挖隧道上方两侧的土体,最后开挖隧道正上方的土体,宜保持对称均匀原则,从而减少下卧隧道受荷状态的不均匀性。