三线隧道并行穿越金达路跨线桥变形分析

曲喜涛

(中铁第五勘察设计研究院集团有限公司,北京 102600)

随着城市的快速发展,高层建筑林立,道路桥梁错综复杂,受规划、管线、地下空间的诸多的限制,隧道修建过程中侧穿正穿既有建筑及基础不可避免,尤其是隧道近距离穿越建筑物及桥梁桩基施工,而引起的差异沉降导致建筑物开裂、倾斜,以及桥面不平整无法继续使用的问题,已经引起了有关方面以及公众的日益广泛的关注,因此控制沉降变形,降低对建构筑物的影响已日渐成为轨道交通设计的重中之重。

宁波地铁5号线一期工程富强路站至海晏南路站区间采用地下方式敷设,前殷车辆段位于杭甬高速北侧,环城南路南侧地块,八字接轨于富强路站及海晏南路站。本段区间兼有三线隧道近距离并行、交叉和长距离连续近接穿越重要市政桥梁桩基多重风险,控制点多,施工难度大的特点[1]。

1 工程概况

5号线一期工程富强路—海晏南路区间采用盾构法施工,盾构外径6 200 mm,盾构埋深在10 m～17 m,区间设两个联络通道。正线隧道沿金达路跨线桥东西两侧敷设,右线隧道与金达路跨线桥17号桥墩桩基净距最小2 m,左线隧道与金达路跨线桥10号桥墩桩基净距最小1.85 m。出入场线采用“八”字线,分别从富强路站和海晏南路站引出,沿金达路东侧敷设。区间全长约1.4 km,侧穿金达路跨线桥8号至20号桥墩,净距为2 m～4.8 m;入场线隧道与右线隧道长距离并行,并行区间长度约230 m,净距3.3 m～4.5 m,两者有空间交叉节点,净距5.3 m;出场线隧道与左线隧道长距离并行,并行区间长度约180 m,净距3.8 m～4.8 m,两者有空间交叉节点,净距4.65 m。根据全线工程筹划安排,区间正线先施工,出入场线隧道上跨右线隧道后进入停车场[2-3]。区间平面图见图1。

2 周边环境

金达路跨线桥为主干道,规划红线宽度44 m,主桥宽度25 m,双向六车道。引桥沿金达路向北,上跨既有河道及北斗路后,沿规划金达路线位向北上跨杭甬高速,后在规划潘火大道与金达路交叉口南侧接地。规划金达路跨线桥跨杭甬高速段主跨为简支梁54 m,两侧边跨为连续梁跨度33 m,桥台附近桥跨距离为16 m。桥台及台后范围采用直径60 cm旋喷桩加固,主跨及边跨段采用φ120 cm钻孔灌注桩,桩长64 m～74 m,南北两侧桥台采用直径600 mm高压旋喷桩加固,桩长10 m[4-5]。

3 地质及水文情况

区间地层以软土为主,主要为软塑状粉质黏土以及流塑状淤泥质土。地质层的划分,从上至下依次为杂填土、黏土、淤泥质黏土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、黏土、粉质黏土、中砂、粉砂层,区间主要穿越土层为粉质黏土及淤泥质黏土。

根据地下水含水层介质、水动力特征及其赋存条件,可将场地内地下水分为孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。场地潜水位埋藏浅,勘察期间实测孔隙潜水位埋深一般在现地面下0.5 m～3.0 m,相应标高0.79 m～2.29 m。根据本地经验,抗浮设防水位可取设计室外地坪下0.5 m或鄞东中塘河规划100 a一遇的防洪设计水位2.96 m(1985国家高程基准)。

4 隧道与桥桩净距及线间距确定

经过与金达路跨线桥设计单位沟通,设计时考虑使用阶段相邻桥墩差异沉降10 mm,综合以上国内外相关规范和经验总结,针对宁波地区地质特点和金达路跨线桥结构基础形式,本段区间盾构穿越金达路跨线桥桩基的变形控制建议限值:桥桩水平位移值控制在10 mm以内;相邻桥墩差异沉降控制在5 mm内(纵向)。

宁波地铁5号线富强路站—海晏南路站区间与金达路跨线高架桥走向一致,前殷停车场出入场线八字线方案分别从富强路站和海晏南路站接入,三线隧道需沿金达路跨线桥两侧长距离并行且有交叉节点,隧道需满足一定的安全净距以降低工程风险,同时受道路红线和周边建筑物影响,线路空间严重受限。考虑到金达路两侧均为住宅小区,拆迁费用较大,故地铁线路均紧贴金达路跨线桥,距离极近。

对盾构区间可穿行空间进行分析。根据搜集到的公路桥和住宅楼资料,借鉴同类工程经验,同时考虑三线并行隧道线间距对施工风险的影响、上下交叠隧道控制净距、盾构施工对桥梁及建筑物基础影响、线间距过大对联络通道施工的影响、近距离下穿居民区引起的社会影响,多种因素控制下的盾构区间可穿行空间范围满足了侧穿金达路跨线桥时,与桥桩净距在0.3D以上。出入场线与正线并行段净距为3.3 m～4.8 m,同时出入场线与正线隧道交叉节点处净距控制为4.65 m和5.3 m,施工自身风险等级为Ⅱ级[6-7]。

本段区间涉及三线并行交叠隧道,根据上海、杭州等软土地区并行、交叠隧道施工经验,采用先下后上的施工顺序,先施工正线隧道、后施工出入场线隧道,减少因下穿隧道施工引起上部地层和隧道变形的影响。三线长距离并行和交叠节点处理措施:对出入场线上跨正线隧道节点前后10 m范围进行高压旋喷桩预先加固。上跨隧道施工时已施工完成的正线隧道采用洞内钢支撑加固、纵向加紧联系条和通过管片预留的注浆管对隧道外土体进行注浆加固。盾构穿越后,根据地面及建、构筑物变形情况,打开管片内预埋注浆管,及时对周围土体进行壁后注浆加固;金达路跨线桥施工时已考虑后期区间隧道侧穿的可能性,对影响范围内桥桩进行高压旋喷桩加固。通过制定以上处理措施,理论上可以降低风险为可接受级别。

5 数值分析及验算

查阅相关文献,目前文献主要研究了隧道施工对近邻桩基影响的规律,但大部分文献都是针对泛指意义上的隧道来进行研究的,而不是专门针对盾构隧道来研究的。盾构法隧道施工在开挖、支护等方面具有自身的特点,其在对周围土体的影响上与采用其他施工方法施工的隧道可能有着较大的区别,这样对近邻桩基的影响可能会有不同性质和程度的影响。

另外,各种文献中对软土地基中盾构掘进引起的水平变形桩基承载能力、桩基钢筋应力变化、桩周摩阻力散失比例及深度方向分布特性等方面研究存在些许不足。

本节主要针对隧道施工过程中对周围地层影响和变形进行分析,研究隧道施工引起的土体松动区变形分布特性,以及墩台位置和隧道施工主要影响区内预先进行注浆加固的效果。假定土层呈匀质水平状分布;滤管片接头影响以及错缝拼装方式对衬砌整体刚度的折减作用(取厚度及刚度折减系数为0.8);各土层采用弹塑性材料模型,管片衬砌采用弹性材料模型;不考虑土体固结引起的隧道长期沉降;数值模拟所受水土压力按静止土压力计算。三维计算模型见图2,桥桩及施工盾构隧道变形云图见图3,地层变形云图见图4。

经计算分析,双线穿越后地表沉降量为17.5 mm,纵向差异沉降率0.047%,入场线穿越后地表沉降29.4 mm,纵向差异沉降率0.079%,桥桩水平位移最大值为右桩4.4 mm,承台最大沉降量为4.48 mm,差异沉降1.46 mm,满足建议的变形控制限值。

根据设计资料验算,桩基强度满足抗弯和抗剪要求。从数值模拟计算结果来看,盾构穿越引起的差异沉降量在设计允许范围内,在施工措施中管片外注浆加固土层,来降低深层土体变形影响,并预留对相邻跨支座支顶调整的措施。根据施工过程中的监测结果,当差异沉降量超出报警值时,应进行调整。

6 结语

本区间走向与金达路跨线高架桥走向一致,金达路两侧均为住宅小区,拆迁费用较大,因此本区间线路利用金达路立交桥桩基础和住宅小区之间的空隙通过,优化并行隧道线间距和交叉处净距,控制区间结构与市政桥梁桩基之间的距离大于0.3D,通过采取地面旋喷加固,区间洞内钢支撑加固、纵向加紧联系条对隧道外土体进行注浆加固的处理措施降低风险等级,经风险分析和数值计算,盾构施工对桥桩承载力和结构安全影响较小,可以保障金达路跨线桥的正常使用,从风险管理角度,依据区间结构与周边环境设施的邻近关系、施工影响区内控制建筑物的重要性、邻近关系、结构基础形式与施工工法自身风险等多种因素,对风险源进行识别,采取相应的保护措施,降低风险等级至可接收的级别,隧道近接穿越金达路跨线桥桩基风险等级为Ⅲ级,隧道并行和交叉节点处风险等级Ⅲ级,为可接受风险等级。目前宁波地铁5号线已经顺利完成施工,通车运营,本区间海晏南路站改为曹隘站,百丈路站改为柳隘站,根据施工方监测数据反馈,结果与计算基本吻合。