高架桥近接施工对既有盾构隧道的影响评价研究

叶逢春，夏 霄，甘鹏路,2

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省智慧轨道交通工程技术研究中心，浙江 杭州 311225)

近年来，在修建快速路时经常遇到高架桥桩基邻近盾构隧道侧向施工的情况，钻孔桩施工、承台开挖等不可避免地对隧道周围土体造成扰动，进而引起既有隧道的位移变化，影响运营隧道的公共安全[1-2]。国内诸多学者对桥梁近接隧道施工的问题进行了相关研究。董必成以深圳月亮湾立交改造工程为背景，通过数值计算验证了桥梁邻近地铁盾构施工方案的可靠性[3]。郭力和李太杰通过三维模型研究了新建桩基施工对既有盾构隧道位移影响，发现盾构管片变形以沉降为主，且最大收敛变形出现在纵向[4]。张伟等对单桩邻近隧道施工进行参数敏感性分析，研究了立交桥单桥墩桩基础与双桥墩桩基础在施工及承载阶段对盾构隧道管片变形与内力影响的优劣[5]。丁智和张霄通过改变桩—隧相对位置、隧道埋深、水平净距、桩基半径和考虑群桩因素，研究了静压桩基施工对软土地区既有地铁隧道的影响[6]。蔡乾广等介绍了试验桩及内插桩施工期间对盾构隧道沉降的影响程度，总结出跳桩施工、连续穿透、及时注浆、自动化监控等有益方法[7]。本文以杭州市崇贤至老余杭连接线工程为背景，通过隧道检测对盾构管片健康状态进行调查，提出合理的变形控制标准，再基于数值模拟分析了高架桥近接施工情况下的隧道变形情况，为类似邻近工程设计施工提供了可借鉴的可靠安全评价方法。

1 近接工程概况

1.1 相互位置关系

崇贤至老余杭连接线工程位于杭州市余杭区，为东西向快速通道，线位串联临平创业城、良渚文化城和未来科技城三大城市片区。本工程里程K32+589.5～K32+724.0为高架桥段施工，横跨杭州地铁5号线金星站—绿汀路站区间隧道的控制保护范围。区间隧道顶埋深约15.3m，外径6.2m，内径5.5m，环宽1.2m，为错缝拼装。高架桥梁桩的桩长为25.5m/21m，桩径约1.5m，与盾构的最小水平净距为5.9m，承台矩形尺寸为10.9m×6.3m×2.5m，开挖深度约3.9/4.1m，承台底与区间隧道的最小竖向净距约11.4m，两者相互位置关系图如图1所示。

图1 高架桥与地铁5号线金绿区间剖面关系图

1.2 工程地质条件

工程场区内第四系覆盖层厚度为3～20m，按地质成因时代及其工程特征，可分为：浅表层厚薄不一的填土层；其下为湖沼积的粉质粘土，海积的淤泥质粉质粘土、冲湖积粘性土、坡洪积的含砾粉质粘土、残坡积土。前第四系基岩为上奥陶统长坞组（O3c）的泥质粉砂岩、砂砾岩。涉地铁5号线处的填土厚约2.0m；粉质粘土约3.0m；淤泥质粘土厚约8.0m；粘土厚约8.0m；全风化砂砾岩约1.0m；强风化砂砾岩约7.0m其下为中风化砂砾岩。

1.3 高架桥施工方案

高架桥墩的跨径为54.5m，上部结构为组合钢板梁，下部结构为双柱大挑臂盖梁。桥墩下设矩形承台和6 根桩基础，桩基为嵌岩桩桩底进入中风化泥岩。桩基采用常规旋挖钻施工，泥浆相对密度宜控制在1.2～1.3，采用C30水下混凝土。承台选用钢板桩围堰支护开挖方式，钢板桩围护的施工则采用静压施工，靠近地铁盾构隧道侧的钢板桩不拔出。钢板桩为拉森Ⅳ型，钢板桩顶部50cm范围内采用工字钢围檩进行四周支护，承台开挖至承台底标高以下20cm后立即破除桩头并用混凝土进行基坑封底。

高架桥的钢板组合梁采用分段吊装施工，设置临时支墩，待钢板组合梁安装完成后，再将其拆除。组合钢梁节段最大重量86t，拟采用2 台180t 大型汽车吊进行安装作业。安装顺序为：38.75m节段→15.75m节段→36m节段→44m节段，如图2所示。临时支墩下部为扩大基础，用C30钢筋混凝土结构，基础顶部预埋膨胀螺栓，基础底铺设16mm厚钢板。

图2 钢板组合梁吊装平面布置示意图

2 地铁5号线结构健康状态

为确保本工程施工对地铁5号线结构影响可控，在开工前对杭州地铁5号线金星站—绿汀路站区间隧道的上下行线KII2+877.5～KII3+031.8 合计262 环进行现状调查。截止至2020 年4 月，影响范围内盾构隧道的断面变形数据和管片病害情况分别如表1 和表2 所示。经统计，共计有17处环缝湿迹，4处纵缝湿迹，2处螺栓孔湿迹和4处环缝渗水。相邻盾构管片的环间错台量最大值为9mm，出现在289 环与290 环3 点钟方向，根据《盾构法隧道工程施工与验收规范》（GB50446-2017），成型地铁隧道相邻管片环间错台量允许偏差为15mm，现状情况满足要求。

表1 盾构管片水平直径差异量情况统计表

表2 隧道管片病害分类统计表

根据浙江省工程建设标准《城市轨道交通结构安全保护技术规程》（DB33/T1139-2017）的相关规定，可以判定影响范围内地铁5号线金星站—绿汀路站区间隧道的结构安全状况为“Ⅱ类”——“变形较大或结构损伤较为严重”，保护等级为最高的“A级”。综合高架桥与地铁的相对位置关系，地铁结构安全状况、工程和水文地质条件、外部作业影响程度等因素，可以提出相应的变形控制指标：①水平位移、竖向位移、相对收敛、差异沉降：±5mm；②变形曲率半径：15000m；③变形相对曲率：1/2500；④外壁附加荷载：20kPa。

3 近接施工数值模拟

3.1 三维数值模型建立

采用Midas GTS软件对本工程近接施工进行数值模拟计算，模型的Y方向（垂直于轨道交通走向）取130m，X方向（平行于轨道交通走向）取220m，Z方向（厚度方向）取50m，高架桥与盾构隧道的相对关系如图3所示。模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定；模型两侧约束条件为水平方向固定，竖直方向自由；地表面自由。

图3 高架桥邻近盾构隧道施工整体模型图

3.2 计算参数及模拟工序

计算中岩土体单元采用小应变硬化土本构模型，结构单元采用弹性本构模型。小应变硬化土本构模型可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，采用MC 破坏准则，适合于多种土类的破坏和变形行为的描述，特别适合模拟基坑开挖的变形性状。根据工程地勘参数，得到土体小应变硬化模型参数见表3。

表3 土体小应变硬化模型参数表

根据高架桥的施工步序，模型施工计算步骤根据各建设内容的先后顺序进行，具体为：①地应力平衡；②激活地铁盾构管片；③高架桥梁桩基施工；④桥梁承台开挖施工；⑤箱梁吊装施工；⑥施加运营期间荷载。

3.3 计算分析结果

崇贤至老余杭连接线高架桥施工引起的地铁5 号线水平位移和竖向位移云图如图4所示。通过分析高架桥各个施工步序中盾构隧道的变形情况可知：

图4 高架桥邻近盾构隧道施工计算结果

（1）桩基施工引起的最大隧道水平位移为-1.7mm，竖向位移为-1.8mm，隧道收敛变形1.5mm；

（2）承台施工后，盾构最大隧道水平位移为-1.8mm，竖向位移为-1.9mm，隧道收敛变形1.7mm；

（3）吊装施工后，盾构最大隧道水平位移为-1.8mm，竖向位移为-2.0mm，隧道收敛变形2.0mm；

（4）运营期间，盾构最大隧道水平位移为-1.8mm，竖向位移为-2.0mm，隧道收敛变形2.0mm；

（5）按临时支墩布设为条形基础形成板带，传递荷载小于20kPa，整体地铁隧道变形满足上述变形控制指标要求。

4 结语

本文通过分析管片健康现状检测和数值模拟分析相结合的方法，对崇贤至老余杭连接线高架桥邻近地铁5号线盾构隧道施工安全评价进行了研究，得出了以下结论和建议：

（1）基于断面扫描，统计出影响区域内地铁5 号线共有25 处湿迹或渗水，管片最大错台量达到9mm，盾构隧道处于变形较大或结构损伤较为严重的II 类状况，在施工过程中应持续对盾构管片健康状态进行复测；

（2）若高架吊装及道路回填荷载控制在20kPa（传递到地铁设施壁）以内，高架桥施工引起的盾构隧道最大水平变形为-1.8～1.8mm，最大竖向变形为-1.0～-2.0mm，最大收敛变形为1.2～2.0mm，满足变形控制要求；

（3）通过在承台开挖时控制基坑降水，并平衡开挖，同时在吊装施工时，对临时支墩基础进行扩大，确保临时墩下扩展基础及钢筋混凝土垫层扩散至地铁设施结构外壁的附加荷载小于控制值20kPa，可进一步提高邻近施工的安全性。