地下通道超近距上跨城市轨道交通隧道结构施工影响分析*

2023-10-08黄松

城市轨道交通研究 2023年9期

黄松

(贵阳市公共交通投资运营集团有限公司,550081,贵阳∥高级工程师)

0 引言

随着我国城市轨道交通领域的发展,地铁运营线路不断增加,城市轨道交通线路沿线的施工作业项目也越来越多。我国出台了相关城市轨道交通控制保护区的安全管理要求,加强对城市轨道交通控制保护区内可能影响城市轨道交通结构设施安全和运营安全的各类施工作业行为的管理。

目前,我国较多城市均采用加强外部施工项目技术审查和监管的方法,通过监测、巡查、预警、监控等技术手段,全面掌控城市轨道交通设施的安全状态,对邻近既有地铁施工影响进行分析[1-2]。

为避免轨道交通设施受损,通过建立较为完善的城市轨道交通控制保护区安全管理制度,及时发现城市轨道交通控制保护区内未办理审查手续或未按照已审批保护方案实施的违法、违规施工作业行为。

本文以贵阳市某新建地下过街通道近距离上跨贵阳轨道交通1号线和4号线(以下简称“1号线”“4号线”)施工项目为例,结合既有轨道交通结构变形控制标准,对既有轨道交通结构采取安全保护措施,计算分析外部施工作业对既有轨道交通结构的受力和变形影响。本文研究可为类似工程的相关安全保护措施和现场施工控制提供参考。

1 工程背景

贵阳市某新建地下过街通道位于城市主干道交叉口,上跨1号线和4号线。过街主通道上跨既有轨道交通模型示意图如图1所示。该路口基本情况为1号线(已运营)呈东西向敷设,4号线(远期线,下穿段预留结构已与1号线同期实施)呈南北向敷设,下穿1号线,且该处1号线区间结构顶部埋深仅为3.85 m。新建地下过街通道采用工字形主通道布置,建设规模为3 920 m2,共设8个出入口。

a) 平面位置图

地下过街通道主通道E需上跨1号线和4号线区间隧道结构,与已建4号线通道在平面位置上基本重叠(见图1 b))。受空间位置影响,过街通道主通道E结构底部距1号线区间隧道结构仅0.3 m,为超近距离上跨施工作业。

2 安全保护方案及控制标准

2.1 既有轨道交通线路结构

既有轨道交通线路的明挖区间为单层双孔箱形结构,结构内净高为5.15 m,区间顶板、底板及侧墙厚度为0.6 m,中隔墙厚度为0.3 m,1号线下方同步建设的4号线顶板与1号线明挖结构底板共板设置,厚度为0.8 m,侧墙宽为0.7 m。既有轨道交通线路结构剖面图如图2所示。

单位:mm

2.2 主通道E的安全保护方案

新建地下过街主通道E采用钢筋混凝土箱梁,净空尺寸为10.0 m(宽)×2.7 m(高),箱梁顶板厚度为0.35 m,底板厚度为0.3 m,侧墙厚度为0.6 m。为减小新建地下过街通道的施工和运营对既有轨道交通线路的影响,主要采取以下保护措施:

1) 跨轨道交通隧道结构采用暗埋托梁结构形式,其剖面图如图3所示。暗埋托梁段承担过街通道自身质量和路面荷载,上跨梁长为24.0 m,高为3.8 m。腹板采用加宽过渡段与横梁相接。箱梁顶板设置宽为 0.8 m的受压悬臂,以减小顶板变形。箱梁横向设置牛腿,用于安装搭板,并与路基过渡,减小不均匀沉降。

单位:mm

2) 托梁基础采用桩基础,为12根直径1.8 m的混凝土灌注桩,距既有结构最小净距不小于2 m。同时,按承压和抗拔桩设计桩基,其与主梁端横梁固结,基底深入4号线结构以下超过2 m。箱梁端横梁设置于梁底,与桩基固结。

3) 为减小对既有轨道交通结构的影响,将隧道结构顶部以上10 cm设置为垫层,可有效保护结构防水层和荷载缓冲。

2.3 既有轨道交通结构变形控制标准

根据CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》、GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》、GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》等规定,同时参考我国其他地区的相关变形控制标准[3],结合本项目涉及的1号线区间结构情况,确定本工程区间隧道结构的变形控制标准为水平变形量小于5 mm,沉降量小于7 mm,隆起量小于5 mm。

3 安全保护方案施工影响分析

3.1 施工工况

新建地下过街通道基坑按照分层、分步、对称、平衡、限时这5个要素,遵循“纵向分段、竖向分层、先支后挖”的原则。以基坑整个横断面的宽度和分层深度开挖土体,严禁大槽开挖施工。每层开挖高度为 2 m,开挖一层,支护一层。在轨道结构防水层 1 m 内,采用人工配合机械开挖,避免大型机械直接开挖作业危及隧道安全。

主通道分3段施工,施工步骤为:

1) 第1节段、第3节段基坑开挖;

2) 抗拔桩施工,底板浇筑,沙袋反压底板;

3) 第2节段开挖;

4) 抗拔桩施工,底板浇筑;

5) 第1节段、第2节段、第3 节段腹板和顶板一次浇筑成型,回填路面。

3.2 计算参数及本构模型

根据勘察报告,地层物理力学参数如表1所示。土体材料本构模型采用修正Mohr-Coulomb模型,由非线性弹性模型和弹塑性模型组合,可以模拟土体不受剪切破坏或压缩屈服影响的双硬化行为。新建地下过街通道结构、抗拔桩、1号线结构和4号线预留通道结构的材料均采用弹性Elastic模型。模型结构属性及物理力学参数如表2所示。

表1 地层物理力学参数指标

表2 模型结构属性及物理力学参数

3.3 计算模型及数据分析

采用有限元软件建立新建过街通道上跨1号线及4号线预留段明挖区间隧道的计算模型。考虑到圣维南原理的影响,模型尺寸设为基坑每侧的超出宽度为基坑开挖深度的3～5倍,模型尺寸为80 m(长)×80 m(宽)×40 m(高)。模型侧向采用水平约束,模型底部采用竖向及水平约束。计算模型示意图如图4所示。在模拟场地原始地应力和1号线及4号线预留段区间隧道开挖施工完成后,进行位移清零设置,再按照前文所述的施工步骤进行施工模拟计算。

图4 计算模型示意图

不同施工步骤下,地层、1号线及4号线预留段区间结构的竖向位移云图如图5所示。当第1节段、第3节段基坑开挖时,土体最大隆起量约为4.2 mm,明挖区间结构顶板最大隆起量约为3.3 mm,位于基坑开挖区域的中心位置;当第2节段土体开挖时,基坑土体最大隆起量约为4.0 mm,明挖区间结构的最大隆起量约为3.2 mm;结构浇筑完成回填后,区间最大位移为2.1 mm。

a) 过街通道第1节段、第3节段基坑开挖

不同施工步骤下,既有结构(1号线及4号线预留段)隆起量及内力统计情况如表3所示。由表3可知:新建地下过街通道施工时,既有结构的最大隆起量约为3.3 mm,不超过变形控制标准;新建地下过街通道施工引起区间结构的内力变化,按裂缝控制进行验算满足施工要求。由此可见,在采取一系列保护措施后,新建地下过街通道的施工对1号线和4号线产生的影响较小。

表3 不同施工步骤下既有结构隆起量及内力统计情况

3.4 现场监测情况

为实时掌控项目施工对既有线路结构的影响,对所涉及的轨道交通区间结构进行安全保护专项监测,监测项目有区间结构竖向位移、水平位移、相对收敛变形、轨道静态几何形位(轨距及高差)等,采用自动化监测方法进行监测。在1号线区间隧道中,按照 5～6 m间距布设测点,共计布设 13个断面,每个断面包含顶板沉降测点(2个)、道床沉降测点(4个,水准测量和静力水准测量各 2 个)、侧墙结构水平及竖向位移测点(4个,水平和竖向共用测点)、相对收敛变形测点(与结构水平位移共用测点)共计10个测点。同时,对轨道静态几何形位进行检查,对变形缝差异沉降增加 1 组沉降测点。测点布置示意图如图6所示。

注:Y0为右线;Z0为左线;A—E为测点编号。

1号线和4号线区间结构计算值与实测值的最大隆起量对比如图7所示。由图7可知:1号线区间结构累计变形量为0～1.5 mm,其变形趋势与计算结果相符,但其实测数值小于计算值且未超过控制标准值;在施工过程中,1号线区间结构的竖向变形监测数据变化速率不大,隆起量浮动较小,说明项目施工全过程对既有线路的影响较小。