地铁隧道小净距下穿公路箱涵的设计与分析

杨中正

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 工程概况

1.1 地质概况

地铁区间隧道敷设路段地形整体平缓，下穿区段围岩等级为Ⅴ级，地表下依次为混凝土路面、人工填土层、中风化灰岩；其中拱顶以上部分位于中风化灰岩层内，仰拱底部位于中风化岩层内；区段内无地表水分布，地下水主要为松散层孔隙水、基岩裂隙水及碳酸盐岩溶管道水，地下水位埋深6.1～7.5m，标高1243.7～1256.9m。场地所在地区抗震设防烈度为Ⅵ度。

1.2 隧道及箱涵概况

地铁区间隧道采用矿山法施工，为马蹄形断面结构，开挖跨度为6.76m，高度为7.26m，采用复合式衬砌结构。市政路箱涵为钢筋混凝土结构，净高约7.7m，净宽约21m，于2015年底建成并通车。

1.3 相互关系

地铁区间右线于YDK21+128～ZDK21+163段、左线于ZDK21+128～ZDK21+163段下穿市政公路箱涵，箱涵与区间线路基本正交，箱涵底板与隧道顶板的净距约2m。地铁区间隧道与公路箱涵平面关系示意见图1。

图1 地铁区间隧道与公路箱涵平面关系示意

2 设计方案

2.1 加强超前支护

区间隧道超前支护采用双层φ42超前小导管，注浆后对注浆效果进行检验，确保涵底岩层软弱部位有效填充，保证隧道开挖拱部与涵底之间围岩密实，严控箱涵沉降。探测发现软弱部位时，采用小导管进行二次补充注浆。注浆过程中注意注浆导管与涵底的距离控制，保证相应的安全距离，适当调整注浆导管打设角度、方向及注浆压力，避免箱涵与导管发生冲突或由于注浆压力过大造成的箱涵混凝土结构破坏。

2.2 优化衬砌支护参数

考虑隧道与箱涵的相互影响，对本段内隧道衬砌结构予以加强，以确保其结构的安全和稳定。区间隧道采用复合式衬砌结构，其中初期支护为28cm 厚C25网喷混凝土，内置工20b型钢钢架，并钻设系统锚杆，二次衬砌为50cm厚C35钢筋混凝土(表1)。

表1 隧道支护参数表

2.3 优化施工方法

(1)隧道下穿箱涵段采用人工或机械开挖，不采用常规爆破开挖。环向初期支护钢架、竖向支撑钢架开挖一榀支护一榀，逐榀成环推进[1]。根据围岩情况及周边建构物情况必要时对掌子面喷射5cm混凝土封闭，并随挖随喷，避免掌子面掉块、坍塌，架设临时横撑；尽早施作二次衬砌。

(2)下穿段采用台阶法开挖，开挖后立即封闭上台阶开挖面，上台阶初支形成后立即对初支背后进行回填注浆填充。上台阶每循环开挖支护进尺不应大于1榀钢架间距，边墙每循环开挖支护不得大于2榀[2]。仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，每循环开挖进尺不应大于3m，并及时封闭初支钢架，初支钢架封闭距离掌子面不超过0.5倍洞径。

2.4 加强监控量测

隧道施工期间应开展监控量测，必测项目有洞内外观察及掌子面地质描述、拱顶下沉量测、周边位移收敛量测、地表下沉量测，其他项目为选测项目，包括初期支护和二次衬砌内力、锚杆轴力，围岩与支护间的压力和围岩内部位移的量测等[3-4]。

隧道下穿段施工时加密监测断面，按照5m一处布设洞内监测断面，对洞内变形情况进行监控量测，观察描绘洞内及地表沉降变化趋势；对洞外箱涵按照10m一处测点布设，箱涵每个横断面布置四个测点，分别位于结构两侧隔墙上部及底板，测点布置务必与箱涵结构有效接触，能够及时反映箱涵结构沉降情况，不能超过安全限值，预警值为沉降限值的70%。根据监控量测数值、变形趋势及时验证并修正箱涵下方区间隧道工程措施。

3 计算依据

3.1 模型及参数

采用MIDAS/GTS有限元分析软件进行内力计算。隧道的施工开挖模拟采用地层—结构模型；二衬与初支围岩的相互作用采用荷载—结构模型，二衬采用弹性梁单元模拟，二衬与初期支护和围岩的相互作用采用只能受压的径向弹簧单元模拟[5]。计算荷载按《地铁设计规范》(GB50157-2013)及《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)(以下简称《隧规》)等考虑围岩压力、地面荷载(车辆荷载与路面超载)及水压力等[6-7]。

围岩及衬砌材料的物理力学指标按工程勘察报告及《隧规》取值[7]，计算中考虑复合衬砌背后完全回填密实，计算均假定衬砌背后围岩能提供弹性反力。具体取值见表2～3。

表2 围岩计算参数表

表3 衬砌材料参数表

3.2 控制标准

下穿区段安全性的判定标准体现在两个方面，一是隧道结构自身的施工及运营安全，二是隧道下穿引起的箱涵的安全性。

由此，模型的截面强检算按照破损阶段法检算，二衬按照偏心受压构件进行检算分析。隧道结构的安全控制标准可按照《隧规》执行，如表4所示。

表4 钢筋混凝土结构的强度安全系数

根据市政公路的营运速度，结合规范、主管部门意见以及国内外地铁施工经验，为保证箱涵的安全性，采用如下控制标准：箱涵最大沉降值不超过15mm，差异沉降值不超过5mm。

4 影响分析

4.1 隧道开挖对箱涵的影响

隧道下穿箱涵段落采用台阶法施工，为人工或机械开挖。考虑隧道影响范围一般为3倍洞径，因此模型左右侧取区间隧道最外边沿20m，下侧取区间隧道最下边沿20m，上侧为地表面。纵向上考虑箱涵的影响范围，取箱涵两侧各20m。计算分析边界条件取为：计算土体的底面约束竖直方向z的自由度，计算土体的侧面约束侧向x、y方向的自由度，地表为自由面。模型如图2～3所示。

图2 计算模型图

图3 箱涵与区间隧道平、立、纵相对位置关系图

地层岩体采用4节点四面体实体单元模拟，隧道衬砌及箱涵结构采用3节点三角形板单元模拟[8]。整个模型共有126926个有限元单元，21560个节点。同时考虑地表车辆荷载以及箱涵底板车辆荷载，根据《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)，车辆荷载按均布荷载且q=10.5 kPa考虑[9]。

结合类似工程实例，开挖引起的侧向水平位移较小，可忽略不计[10]，本文主要分析区间开挖引起的箱涵竖向沉降，即在进行变形分析时主要考虑z方向上的位移。整体模型竖向位移、箱涵与区间隧道相对竖向位移如图4～8所示。

图4 模型整体位移图

图5 箱涵与隧道相对位移图

由以上工况分析可知：(1)区间隧道开挖后产生的最大拱顶沉降约为9.2mm，最大拱底隆起9.5mm，两者相差不大；(2)箱涵产生整体向下的竖向沉降位移，沉降量较区间隧道小。

图6 箱涵整体位移图

图7 箱涵底板位移图

由以上工况分析可知：(1)箱涵整体位移呈中间大两侧小的的趋势，呈对称状；(2)若取箱涵底板单独研究分析，左右箱涵底板位移基本相同。箱涵在区间隧道正上方区域沉降较大，其余区域沉降较小；(3)任取某一箱涵底板中线，提取其沉降曲线，可分析出箱涵的底板沉降槽曲线在区间隧道开挖处沉降较大，向其它区域延伸，沉降值则逐渐变小。

图8 箱涵底板沉降槽曲线图

因此，依据计算结果，箱涵最大沉降值约为4.02mm，最小沉降值为2.97mm，满足箱涵沉降值不超过15mm且差异沉降值不超过5mm的要求，箱涵结构是安全的。

4.2 隧道结构安全分析

隧道与箱涵之间存在约2m厚的岩层，按浅埋隧道考虑将该岩层、箱涵结构及地表的车辆附加荷载全部施加在隧道二衬结构上；水位线位于区间隧道拱顶以上约4.5m，按静水压力直接作用于二衬。衬砌结构荷载详见表5。

表5 衬砌结构荷载计算表

将荷载施加在二衬结构上，可以确定出现正负弯矩绝对值较大的几个关键结构点，提取关键点的轴力和弯矩进行衬砌安全系数如表6所示。

表6 隧道结构主要部位钢筋混凝土安全性检算

因此，依据上述计算结果，隧道的二次衬砌结构各特征点的安全系数均满足规范要求，且无需进行裂缝检算，隧道结构是安全的。

5 工程实施

区间隧道下穿施工时对隧道自身和公路箱涵进行监控量测，隧道自身按5m一处布设洞内监测断面；箱涵按10m一处布设监测断面，测点布置于结构两侧、隔墙上部及底板。监测数据显示，箱涵沉降在区间隧道开挖至其正下方时达到最大，取下穿中心及前后两处测量断面的箱涵底板、隧道拱顶数据进行分析，箱涵及隧道自身沉降结果如表7所示。

表7 箱涵及隧道自身沉降结果表

注：DX-3、DS-9分别为下穿中心处箱涵底板及隧道拱顶测点桩号。

数据表明，箱涵及隧道自身沉降均满足控制要求，计算分析结果与现场实测值相差不大。

6 结语

本文主要对地铁区间暗挖矿山法隧道与市政公路箱涵的基本情况进行分析，围绕“采取加强超前支护、优化衬砌支护参数、优化施工方法以及加强监控量测”几个方面提出了设计方案，并运用MIDAS/GTS有限元软件分析了隧道开挖过程中箱涵的沉降变形规律以及隧道自身结构的稳定性，得出如下结论。

(1)地铁隧道下穿箱涵施工时，区间隧道拱顶与箱涵底板均产生竖向沉降位移，而后者较前者小;

(2)隧道的开挖将引起上方箱涵的竖向不均匀沉降，最大沉降值为4.02mm，实测最大沉降值为3.57mm，满足沉降控制值的要求;

(3)隧道结构加强超前与衬砌支护，采用机械开挖对下穿施工有着积极的作用，有效减小了箱涵的沉降，削弱了不利影响;

(4)该地铁区间已顺利通车，期间加强监控量测，根据量测数据以指导施工，是隧道成功下穿箱涵的重要保障。