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河道施工对地铁隧道的影响

2020/01/20 阅读:

近年来,随着城市地铁的发展,周边外部作业对地铁的影响越来越受到关注。外部作业可分为旁侧基坑、上方基坑、上方堆载、穿越隧道、并行隧道、桩基作业、道路及管线作业、爆破作业等[1]。地铁上方河道基坑施工会引起下部土体卸荷回弹,带动隧道隆起。地铁按照结构形式可分为地下结构、地面结构和高架结构;按照功能可分为车站、区间、车辆段、附属建(构)筑物等[2]。杭州区间隧道多采用盾构法施工,地铁隧道作为管片拼装的柔性结构,受外界扰动后变形较为敏感。本文所选取的工程案例中下卧地铁隧道线路多、线形复杂、保护要求高,作为复杂地铁隧道条件下的上部河道开挖案例,其研究成果对后续地铁隧道上部基坑实施和地铁隧道保护工作的开展具有借鉴意义。

1工程概况

[3]1.1相对关系河道宽30m,河道开挖深度为6.4~7.6m。河道下方有5条已运营地铁隧道和2条规划地铁隧道,河道走向与地铁基本垂直。河道开挖底与地铁隧道竖向关系见表1,河道开挖底与下卧地铁隧道的相对平面关系见图1,相对剖面关系见图2。1.2土层地质土层上部为15~16m砂质粉土和粉砂,下部为16~17m淤泥质粉质黏土。1号线左线与右线位于淤泥质土;1号线出段线、4号线出段线与入段线上部位于砂质粉土和粉砂层,下部位于淤泥质土;规划4号线正线位于砂质粉土和粉砂层。地层1.2土层地质土层上部为15~16m砂质粉土和粉砂,下部为16~17m淤泥质粉质黏土。1号线左线与右线位于淤泥质土;1号线出段线、4号线出段线与入段线上部位于砂质粉土和粉砂层,下部位于淤泥质土;规划4号线正线位于砂质粉土和粉砂层。地层面见图3,地层参数见表2。1.3设计方案河道与地铁相交节点设置85m×40m底板,底板厚1.0~1.5m。河道开挖前,对节点土体采用Φ650@450mm三轴搅拌桩进行满堂加固,并施打抗拔桩(桩径0.8m,桩底标高-30.5m,沿地铁走向间距5.0m,沿河道走向共6排),河道两侧采用放坡开挖。

2河道施工影响分析

2.1初步分析刘国彬等[4-5]根据工程实录资料,提出上部卸载后的残余应力影响深度计算公式为该项目河道开挖深度6.4~7.6m,影响范围为开挖底以下11.0~11.6m。由表1可初步判断河道开挖对1号线出段线、4号线出入段线影响较大,对1号线左右线影响相对较小。2.2数值分析采用三维Plaxis有限元软件建立数值模型,对下卧地铁隧道的变形进行预测。模型尺寸为200m(X向)×140m(Y向)×60m(Z向)。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。三维模型见图4。土体采用正四面体单元,隧道、河道底板采用板单元,抗拔桩采用EmbeddedBeam单元,土体采用HS-Small模型(见图5)。土体参数根据王卫东等[6]、周奇辉等[7]相关研究确定。三维数值计算结果见表3,地铁隧道竖向隆起量为3.8~10.7mm,隧道埋深越浅,受河道开挖影响越大。3监测数据分析3.1施工过程施工过程见图6,施工时间为2016年11月—2017年11月,其中开挖期为2017年3—11月。分块开挖(共分44块),分块形成抗拔体系,分块堆载反压。为减少暴露时间,部分垫层增设2层D12钢筋网片及I16工字钢。3.2监测数据[8]由图7可知,开挖前三轴搅拌桩和抗拔桩施工期间,隧道竖向变形较小;河道开挖期间,隧道竖向隆起较明显;河道开挖后,随着底板浇筑和河道放水,隧道竖向隆起小幅度回落。河道开挖到底时隧道监测值与预测值较为一致。选取1号线出段线分析其各阶段竖向变形的空间分布(见图8)。可以看出,河道两侧各10m范围内受影响较为明显,最大变形点基本位于河道中间位置。其中,河道东侧(监测点1CCJ190、1CCJ200、1CCJ210)为沉降,主要受周边其他工程影响。

4保护措施研究

该项目实施过程较为顺利,预测值与最终变形值基本吻合,总结地铁隧道上部土体开挖卸荷保护措施主要有以下几点。(1)总体措施(见图9)。工序A:土方开挖→抗拔体系(无措施);工序B:抗拔体系→土方开挖(理想状况);工序C:采取多种措施,分块开挖,减少单次卸荷,逐步形成垂直地铁走向的(2)减少对地铁周围水土应力状态的改变。采用搅拌桩等手段,尽量将下卧隧道围合成封闭体系,以减少外部作业对隧道周围水土应力状态的影响。(3)搅拌桩加固应考虑分区分块开挖。控制下卧地铁隧道隆起常采用M型加固措施[9-10]。河道开挖范围内亦应进行水泥土加固,以确保直立开挖,减少单次卸土面积,控制卸荷比(图10中S1/S)。对于风险较大项目,沿地铁走向单次卸土长度不大于5m;对风险相对可控的项目,沿地铁走向单次卸土长度不大于10m。(4)减少暴露时间,缩短施工周期。分块开挖到底后,尽量采取快强材料进行底板施工(如工字钢叠合梁等),减少暴露时间,尽早形成抗拔体系,并通过堆载等措施进行卸除荷载补偿。(5)抗浮要求。抗拔桩除满足河道底板自身抗浮要求外,尚应结合下卧隧道统一考虑,确保下卧隧道抗浮安全,特别是低水位或断流期间的抗浮安全。必要时,可通过设置泄水孔、水下清淤、清淤期降水等措施确保抗浮安全。(6)降水措施。降水固结引起隧道上覆压力增加,可充分利用开挖过程中“降水固结沉降”和“土体卸载隆起”的相互抵消作用,大大减小对下部地铁的影响。(7)结构设计要求。抗浮体系应与地铁结构一体化考虑,设计使用年限应与地铁相一致,保证结构耐久性要求。河道“抗拔桩+底板”受力体系应确保底板抗弯要求,并按照地铁保护措施结构设计要求进行底板裂缝等验算。(8)抗拔桩施工。成桩应考虑桩架自重、成桩扰动、动力作用等影响。应选择重量轻、性能好的施工机械,并通过铺设路基板等措施扩散荷载;对灵敏度较高的软土,严格控制成桩次序和速度。距离隧道较近的抗拔桩、围护桩等,可考虑采用钢套筒/试成桩等工程措施;当采用钢套筒时,建议采用全回桩下压+冲抓取土工艺,并充分控制下压速度和取土速度,确保足够的土塞长度,减少对周边环境的影响;抗拔桩应考虑受钢护筒影响造成的桩周摩阻力的减小。

5结论

(1)河道开挖对下卧地铁隧道的影响范围为河道两侧各10m,影响量主要取决于隧道埋深。(2)河道开挖主要引起地铁隧道的竖向隆起,开挖完成后一段时间,变形有一定回落。(3)减少地铁隧道隆起的总体思路:采取多种措施,分块开挖,减少单次卸荷,逐步形成垂直地铁走向的抗拔体系(保护思路)。(4)控制地铁隧道隆起的分项措施包括:减小对隧道周围水土应力状态的改变、M型水泥土加固应分区分块开挖、减少暴露时间、缩短施工周期等。(5)河道开挖后应确保下卧隧道抗浮安全,特别是低水位或断流期间的抗浮安全。必要时,可通过设置泄水孔、水下清淤、清淤期降水等措施确保抗浮安全。(6)充分利用开挖过程中“降水固结沉降”和“土体卸载隆起”的相互抵消作用,可大大减小对下部地铁的影响。

作者:刘尊景 周奇辉 陈昌平 单位:中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司 浙江省智慧轨道交通工程技术研究中心 杭州市城东新城建设投资有限公司

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