上部景观工程对既有盾构隧道的结构安全影响

张中立，喻杨健

(1.江苏苏通大桥有限责任公司,江苏 常熟 226001; 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

0 引言

随着环境保护要求的提高,城市的景观工程快速发展[1],由于地下工程上部地面未设置用地红线的区域无明确开发建设的限制,因此,若既有的地下工程上部地面进行景观开发工程施工,则地下工程的使用阶段不可避免地会受到工程活动的影响,且存在既有地下空间的正常使用和结构安全面临影响或严重危害的风险。所以在前期的研究及设计过程中,模拟并分析景观工程的施工对已建隧道的影响,并给出了比较合理的设计及施工措施,是非常关键且必要的。本文以南京长江隧道[2]受到江心洲大江侧滨江风光带景观工程[3-4]影响为例进行分析,可以为类似工程提供一定参考和借鉴。

南京长江隧道位于南京长江大桥与三桥之间, 连接浦口区—梅子洲(见图1)。隧道总长约6 km,按六车道城市快速通道规模建设,设计车速80 km/h,穿越长江段采用的是盾构隧道,管片外径14.5 m,从江北浦口区下地,穿过长江主航道到梅子洲,2010年通车[5]。南京长江隧道平面布置示意图见图2。

江心洲大江侧滨江风光带位于江心洲上南京长江隧道登陆点位置,如图3所示,宽度110 m～160 m,现状大部分区域为水塘和草地,设计方案对地形进行整治,建设内容包括西北岸地表填高;东南方位老江堤部分区段破除并新建环岛西路,同时包含环岛西路下方的管涵施工等,如图4,图5所示。

由于滨江风光带位于隧道正上方,属于强烈影响区,同时景观工程中涉及填方、挖方等施工,对隧道上部地层造成的影响属于隧道原设计考虑外的变化因素[6],可能会对隧道的安全运营产生不利影响[7]。由于项目所在地质不均匀、水文较为复杂[8],为确保隧道的运营安全,特针对景观工程施工对隧道的影响进行研究。

1 建设概况

1.1 主要工程问题

风光带景观工程位于南京长江隧道里程K6+159—K6+409段上部(见图6)。该区段内南京长江隧道西线和东线净距约为14.5 m～16 m。其中,风光带中的环岛西路上跨南京长江隧道K6+300—K6+400段,道路与隧道的夹角约为80°,道路中心线处隧道埋深约20.7 m。

南京长江隧道在景观工程范围内埋深约为17.8 m～25.7 m。

1.2 工程地质条件

根据各土层的物理力学指标、原位测试结果,场地内各土层工程特性综合评价如下:

2 隧道保护标准

由于国内针对道路隧道结构变形规范相对缺乏,本工程相关变形量参照《南京市长江桥梁隧道条例》[9]、CJJ/T 202—2013城市轨道交通结构安全保护技术规范[10],结合相关经验,建议按以下标准进行:

1)隧道结构附加竖向位移(隆起):≤5 mm,变化速率不大于1 mm/d。2)隧道结构附加竖向位移(沉降):<10 mm,变化速率不大于1 mm/d。3)隧道结构累计竖向位移:≤20 mm。4)隧道附加收敛变形:≤1.5‰D(D取隧道外径)。5)隧道累计收敛变形:≤3‰D(D取隧道外径)。6)衬砌结构承载力满足相关规范要求。

3 数值分析

3.1 计算模型

根据圣维南原理[11-12]和实际需要,建立计算模型和网格划分如图7,图8所示。模型采用位移边界作为边界条件,除上表面为自由边界外,各外表面均约束法线方向的位移。

3.2 计算假定

1)地层材料采用摩尔-库仑准则计算;2)假定土层成层均质水平分布;3)盾构隧道管片结构采用板单元模拟;4)地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化;5)不考虑施工中对土体力学指标的影响以及地下水渗流影响。

3.3 计算工况

3.3.1 工况一

1)施加应力分析需要的边界条件和初始条件,并计算达到初始应力平衡状态;2)对现状江堤道路进行挖方,开挖到后期环岛西路标高;3)施工管涵;4)施工环岛西路并施加道路荷载;5)风光带填方施工。工况一施工工序图见图9。

3.3.2 工况二

1)施加应力分析需要的边界条件和初始条件,并计算达到初始应力平衡状态;2)风光带填方施工;3)对现状江堤道路进行挖方,开挖到后期环岛西路标高;4)施工管涵;5)施工环岛西路并施加道路荷载。开挖示意图见图10。

3.4 计算结果

3.4.1 工况一

江心洲大江侧滨江风光带西北岸绿化填高和老江堤改造新建环岛西路施工过程中造成隧道变形结果如下:施工过程中Z向最大沉降为3.63 mm,发生于隧道拱顶;最大隆起为0.52 mm,发生于隧道底部;X向最大变形为0.28 mm;Y向最大变形为0.67 mm(见图11)。计算结果表明,景观工程施工对隧道拱顶沉降影响相对最大,对隧道X向与Y向变形无显著影响。

3.4.2 工况二

江心洲大江侧滨江风光带西北岸绿化填高和老江堤改造新建环岛西路施工过程中造成隧道变形结果如下:施工过程中Z向最大沉降为4.12 mm,发生于隧道拱顶;最大隆起为0.51 mm,发生于隧道底部;X向最大变形为0.36 mm;Y向最大变形为0.85 mm(见图12)。计算结果表明,景观工程施工对隧道拱顶沉降影响最大,对隧道X向与Y向变形无显著影响。

综合上述数值分析计算结果,将工况一与工况二隧道变形与受力情况对比如表1所示。结果表明,工况一条件下,隧道管片的变形与受力均小于工况二,故推荐工况一作为本项目施工工序。

表1 隧道变形与受力分析统计表

4 实测数据

施工中对隧道管片进行监测,并将监测数据与隧道管片在施工前的监测数据进行对比,见图13。结果表明,项目施工导致影响区段内隧道管片沉降均不同程度增大。其中,东线隧道最大累计沉降值7.2 mm;西线隧道最大累计沉降值4.2 mm,沉降数值均在隧道安全使用要求范围内。

5 结语

本文根据项目所处位置的地质条件、江心洲大江侧滨江风光带景观工程和南京长江隧道的相对位置关系,对景观工程采用两种不同工序的施工方案对下部南京长江隧道的影响进行了对比分析。

分析结果表明,景观工程施工采用对现状江堤道路进行挖方并完成新路修筑后再进行风光带填方施工的方案对下部隧道产生的影响较小。计算分析及实测验证表明景观工程的施工对下部隧道产生的最大影响表现于隧道管片拱顶下沉,但施工对隧道的影响处于可控范围之内。本工程可以为在盾构隧道上部施工的景观工程项目提供参考。