隧道病害条件下上方新建道路方案优化

2022-05-05陈翔

天津建设科技 2022年2期

陈翔

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，江苏南京 210000）

随着国民经济的发展和城市化进程的加快，地下区间网络越来越密，涉铁（区间）保护的项目也越来越多，尤其以道路建设涉铁（区间）项目最多。若地下区间埋深浅、病害多、地质条件差，在邻近隧道上方新建道路无论是开挖卸载还是回填压实都会对区间隧道的位移、收敛产生较大影响且加重区间病害程度；因此对施工过程中如何保证既有区间稳定、安全开展研究具有重要的工程意义和实际应用价值。

目前已有许多学者研究了邻近工程对既有区间的影响。左殿军等[1]利用数值模拟软件研究了基坑开挖对邻近盾构隧道位移的影响，得出地表和隧道位移随基坑开挖深度增加逐渐变大且在基坑内支撑间距较大时，沉降与位移增加速率较大的结论。基于实测数据分析结果，魏纲[2]研究了基坑开挖对下卧既有隧道竖向变形的影响规律，得到了隧道最大隆起值的经验计算公式。许冠等[3]以软土地区某邻近轨道交通盾构隧道的基坑工程为背景，通过有限元法分析原设计方案基坑施工对盾构隧道的影响程度及规律并提出优化方案。黄宏伟等[4]采用有限元分析软件对基坑开挖诱发下卧隧道变形进行研究，得出了基坑开挖对下卧隧道影响区域约为6 倍基坑宽度的结论。此外，还有一些研究人员也采用各种方法研究了基坑开挖过程中邻近既有隧道的变形和应力分布特征[5～8]。

目前，大多数学者对邻近地铁隧道区间工程的研究集中于基坑卸载对已建成区间的影响；而在区间病害严重、地质条件差的情况下如何考虑建设方案优化、区间加固措施，以保证既有隧道结构安全的研究成果较少。基于此，本文以实际工程为例，采用地铁区间现状评估及数值模拟的方法，得到适合本区间的设计、施工方案，提出对既有区间的加固措施。

1 工程概况

某道路全长约492.53 m，为城市主干道，设计车速50 km/h，标准横断面为双向横坡，机动车道、非机动车道坡度2%，人行道坡度2%。

道路施工过程中最大挖深约为1.5 m，最大回填高度约为3 m，规划路面距离某既有地铁隧道盾构区间拱顶约为10.9～18.4 m。见图1。

2 既有地铁现状调查

2.1 区间现状评价

地铁隧道盾构区间在施工完成至2015 年7 月1日期间，结构达到地铁验收稳定标准；后期由于道路工程堆载原因导致区间破坏。地铁隧道大变形区段与外部工程位置具有较高的对应性。道路施工活动和堆载破坏隧道原有平衡，在荷载作用下出现沉降，截至2016 年11 月20 日区间左右线道床同时出现横向贯穿裂缝。监测数据显示，相关区域累积沉降3～5 cm，左线K13+162 累计下沉-58.8 mm，K13+187 累计下沉-80.4 mm；右线K13+162 累计下沉-107.4 mm，K13+187 累计下沉-101.2 mm；左线水平收敛最大位置为ZDK13+170.7，最大收敛值57 mm；右线水平收敛最大位置为DK13+364.7，最大收敛值53 mm。破坏最大处位于新建道路下方。隧道病害为道床破裂、局部渗水，沉降和收敛超限制。见图2-图3。

图2 区间沉降监测

图3 区间收敛监测

2.2 地质条件

工程属于长江漫滩地质，富水含砂，土质较差。上覆土层为①2松散素填土、②1a2黏土、②2b4淤泥质粉质黏土（流塑），下卧土层为②4d2粉砂（中密）、②5d1粉砂（密实）。地铁隧道区间位于②2b4淤泥质粉质黏土（流塑）、②3d3粉砂等土层（稍密），其中②2b4淤泥质粉质黏土具有强度低、压缩性高、灵敏度中等的特点。见图4和表1。

表1 土体物理性质指标

图4 拟建道路工程处地铁区间地质剖面

3 优化方案对隧道区间影响

3.1 隧道预加固

既有区间病害严重，需要对道床加固、裂缝修补注浆。综合考虑工期因素，进行了微扰动注浆以及钢环加固，抑制区间沉降和收敛。见图5。

图5 钢环加固施工步骤

3.2 方案优化

将道路方案优化为桥梁方案。采用有限元软件MIDAS GTS-NX 分析在桥梁施工过程中，伴随着打桩、桥墩和预应力盖梁、盖板开挖对既有区间沉降和水平收敛的影响。见图6。

图6 桥梁与地铁区间模型关系

桥梁桩基采用全回转钢套筒施工方法，减小打桩对区间的影响；桥墩、盖梁采用间隔开挖、跳仓施工方法。

优化后的桥梁+既有区间预加固方案较原道路方案可以明显减小施工区间的竖向位移值和收敛值。本区段道床破裂，隧道病害严重，原道路方案隧道区间最大收敛最大已经达到53 mm，施工完成后累计收敛值将达到91.6 mm，施工风险极大；优化后的方案施工期间隧道沉降最大值为12.63 mm，施工工序中水平收敛最大值约为2.5 mm，风险可控。见图7-图9和表2。