祁 輝，朱宏偉，李廷剛，馬偉斌

(1.哈爾濱地鐵集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;3.交通運(yùn)輸部 公路科學(xué)研究院，北京 100088)

1 工程概況

哈爾濱南站站—農(nóng)科院站區(qū)間位于學(xué)府路規(guī)劃道路正下方。學(xué)府路是城區(qū)主干道，規(guī)劃道路寬80 m，隧道中線與規(guī)劃道路永中基本平行。道路兩側(cè)為農(nóng)科院、農(nóng)科院試驗(yàn)田、哈達(dá)水果批發(fā)市場(chǎng)、民宅等科研及民用設(shè)施，最近處距區(qū)間隧道30 m以外。

哈爾濱南站站—農(nóng)科院站區(qū)間在 SK0+383.882—SK0+693.077(長度 309.195 m)、XK0+387.605—XK0+697.347(長度309.742 m)段下穿哈爾濱南站1號(hào)—9號(hào)鐵路橋，其中1號(hào)橋?yàn)榭驑?gòu)橋，無樁基，橋梁底板距隧道頂部約1.7～2.0 m。該橋通行貨運(yùn)列車，車速不超過30 km/h。穿越段隧道拱部采用φ108 mm大管棚+φ42 mm小導(dǎo)管超前支護(hù)，采用自進(jìn)式管棚，平行鉆進(jìn)，在管棚保護(hù)下采用臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱施工。管棚采用熱軋無縫鋼管φ108 mm，壁厚8 mm，環(huán)向間距30 cm，方向與路線中線平行;開挖采用人工風(fēng)鎬開挖。1號(hào)框構(gòu)橋與新建地鐵區(qū)間隧道關(guān)系如圖1所示。

圖1 1號(hào)橋和地鐵隧道關(guān)系(單位:m)

2 工程地質(zhì)

下穿鐵路橋區(qū)間所處地段屬崗阜狀高平原地貌單元，地面高程介于165.45～166.85 m之間，高差約1.40 m。根據(jù)鉆探揭示及對(duì)地層成因、年代的分析，本工點(diǎn)地層主要由第四紀(jì)全新世人工堆積層、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層、中更新統(tǒng)上荒山組地層、下荒山組地層組成，巖性為粉質(zhì)黏土、砂類土。區(qū)間隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層，底部主要位于粉質(zhì)黏土層，粉質(zhì)黏土層標(biāo)貫擊數(shù)在14.50左右，基底承載力滿足設(shè)計(jì)要求。本區(qū)間地下水主要賦存于沖洪積地層內(nèi)，水溫12℃～14℃。含水層主要為孔隙潛水。地下水埋藏較深，對(duì)區(qū)間施工不會(huì)產(chǎn)生影響。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》DB23/902—2005，本場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.00 m。場(chǎng)地上部地層主要由黏性土組成，凍脹等級(jí)為Ⅱ～Ⅳ，凍脹類別為弱凍脹～凍脹。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件。模型全長31.00 m，其中1號(hào)橋長10.11 m，模型橫向58.28 m，豎向30.00 m，埋深10.35 m。模型邊界尺寸分別為58.28 m×31.00 m×30.00 m。共劃分131 886個(gè)單元，140 343個(gè)節(jié)點(diǎn)?？紤]到框構(gòu)橋與各層土體在初始應(yīng)力平衡及加載期間會(huì)出現(xiàn)滑移與脫空，在框構(gòu)橋與土層之間建立接觸面，區(qū)間地鐵隧道穿越地層參數(shù)如表1所示。劃分網(wǎng)格后的實(shí)體模型見圖2所示。

表1 地層參數(shù)

圖2 1號(hào)框構(gòu)橋有限元計(jì)算模型

模擬實(shí)際施工過程中的開挖步序與預(yù)加固措施，一方面需要根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)構(gòu)，對(duì)照實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬計(jì)算的可靠性。另一方面根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)分析在穿越過程中鐵路橋梁的沉降發(fā)展規(guī)律，以及地表沉降情況。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，本次計(jì)算對(duì)大管棚、超前導(dǎo)管加固作適當(dāng)簡化，盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際施工過程。具體做法是用提高土體力學(xué)參數(shù)的方法模擬大管棚支護(hù)及超前導(dǎo)管注漿加固效果。為了提高計(jì)算精度，在計(jì)算中對(duì)施工步序進(jìn)行了嚴(yán)格模擬。按照實(shí)際的上下臺(tái)階法進(jìn)行模擬，每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，上臺(tái)階預(yù)留核心土，保證掌子面與核心土間距2.0 m，上臺(tái)階掌子面與下臺(tái)階間距3.0 m，上行和下行隧道前后錯(cuò)開20.0 m開挖，本次計(jì)算中，荷載按照實(shí)際情況折算施加。

通過以上施工步序的控制，分析整個(gè)開挖支護(hù)過程隧道拱頂下沉、水平變形及框構(gòu)橋底板的變形特性。

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

3.2.1 隧道變形計(jì)算

下穿1號(hào)框構(gòu)橋隧道變形參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。本模型計(jì)算中所提到的橋監(jiān)測(cè)原點(diǎn)是位于計(jì)算模型中框構(gòu)橋農(nóng)科院站一側(cè)，計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿上行線隧道走向水平布置;隧道監(jiān)測(cè)原點(diǎn)是位于計(jì)算模型中農(nóng)科院站一側(cè)，計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿上行線隧道走向水平布置;軌道監(jiān)測(cè)原點(diǎn)是位于計(jì)算模型中哈南站站一側(cè)的起始剖面上，沿鐵路軌道走向水平布置。

隧道下穿1號(hào)橋拱頂縱向沉降及水平變形分布如圖3和圖4所示，按照上行、下行線隧道相距20 m的開挖方式施工，至變形穩(wěn)定后，上行線隧道的最大拱頂下沉為14.25 mm;下行線隧道的最大拱頂下沉為13.43 mm，拱頂下沉量均超過限值10 mm。

表2 下穿1號(hào)框構(gòu)橋隧道變形參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2.2 隧道施工對(duì)框構(gòu)橋的影響分析

1)框構(gòu)橋的變形分析?？驑?gòu)橋底板垂向位移計(jì)算結(jié)果見表3。由表3和圖5可以看出，按照上行、下行線隧道相距20 m的開挖方式施工，至變形穩(wěn)定后，公路主路與輔路下1號(hào)框構(gòu)橋底板最大沉降量分別為14.46，14.15 mm，超過限值 10.00 mm。

表3 下穿1號(hào)框構(gòu)橋底板垂向位移計(jì)算結(jié)果

2)框構(gòu)橋脫空分析

隧道施工將會(huì)引起框構(gòu)橋底板出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，過大的脫空將導(dǎo)致框構(gòu)橋底板出現(xiàn)裂縫。由計(jì)算結(jié)果可知，在施工過程中，將導(dǎo)致1號(hào)框構(gòu)橋在已有變形基礎(chǔ)上向下行線稍有傾斜。計(jì)算出框構(gòu)橋底板與墊層垂向位移，二者最大變形均發(fā)生在正中位置里側(cè)，框構(gòu)橋底板最大變形為13.03 mm，相同位置處墊層的最大變形量為13.74 mm，二者基本接近;正中位置外側(cè)，框構(gòu)橋底板最大變形為11.06 mm，相同位置處墊層的最大變形量為11.98 mm，有脫空現(xiàn)象發(fā)生。

3)框構(gòu)橋差異沉降分析

圖3 隧道拱頂下沉沿縱向分布

圖4 隧道水平變形沿縱向分布

圖5 1號(hào)框構(gòu)橋垂向位移沿縱向分布

框構(gòu)橋角點(diǎn)垂向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見圖6，框構(gòu)橋角點(diǎn)垂向位移計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，隧道施工導(dǎo)致了框構(gòu)橋出現(xiàn)了差異沉降，且差異沉降為0.12 mm，遠(yuǎn)小于要求 0.001L=0.001×38 280=38.28 mm，在1號(hào)框構(gòu)橋前期服役狀態(tài)正常的情況下，1號(hào)框構(gòu)橋可能出現(xiàn)整體沉降超標(biāo)，但結(jié)構(gòu)整體安全。

圖6 框構(gòu)橋角點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置

表4 下穿1號(hào)框構(gòu)橋角點(diǎn)垂向位移計(jì)算結(jié)果

3.2.3 隧道施工對(duì)路面的影響分析

主路路面垂向位移計(jì)算結(jié)果見表5和圖7，路面沉降最大值發(fā)生在隧道通過框構(gòu)橋范圍，且最大值為13.01 mm。

表5 下穿1號(hào)框構(gòu)橋路面垂向位移計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論及建議

圖7 1號(hào)框構(gòu)橋公路主路路面垂向位移沿縱向分布

哈農(nóng)區(qū)間地鐵下穿1號(hào)鐵路橋，計(jì)算出隧道的拱頂下沉及框構(gòu)橋底板下沉均超過限值10 mm，且橋底板有脫空現(xiàn)象;但框構(gòu)橋的差異沉降較小，在允許范圍內(nèi)。據(jù)此，建議施工中采取以下措施。

1)建議對(duì)1號(hào)橋下穿段在已采取超前支護(hù)措施的基礎(chǔ)上，上臺(tái)階封閉后，及時(shí)對(duì)初支背后進(jìn)行注漿，區(qū)間隧道全斷面封閉后，對(duì)施工拱部影響區(qū)地層進(jìn)行深孔補(bǔ)償注漿，深孔補(bǔ)償注漿管長、注漿壓力、漿液等依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

2)加大監(jiān)測(cè)頻率，實(shí)時(shí)掌握橋梁變形情況，根據(jù)橋梁變形發(fā)展趨勢(shì)，必要時(shí)加大注漿范圍。

3)由于脫空病害具有隱蔽性，施工時(shí)，在初期支護(hù)完成后，對(duì)區(qū)間隧道開挖影響的范圍進(jìn)行物探，探測(cè)框構(gòu)橋底板的脫空位置、脫空程度，根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)框構(gòu)橋脫空區(qū)進(jìn)行注漿加固處理，避免底板脫空現(xiàn)象進(jìn)一步發(fā)展，改善橋梁受力狀況，保證區(qū)間隧道施工過程中鐵路橋的安全服役。

［1］ 李圍，何川．盾構(gòu)隧道近接下穿地下大型結(jié)構(gòu)施工影響研究［J］．巖體工程學(xué)報(bào)，2006，28(10):1277-1282．

［2］ 杜建華，高謙，宋衛(wèi)東，等．北京地鐵隧道下切穿越1號(hào)線施工過程模擬研究［J］．鐵道建筑，2008(5):50-53．

［3］ 王曉睿，賈曉鳳，薛亞東．城市地鐵隧道超近距下穿污水管數(shù)值模擬分析［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(3):8-13．

［4］ 李建旺．北京地鐵10號(hào)線下穿國貿(mào)橋的橋樁加固技術(shù)［J］．鐵道建筑，2008(2):49-52．

［5］ 宋曉宇，劉濤，梁青槐．盾構(gòu)下穿地鐵13號(hào)線清河高架橋地表沉降監(jiān)測(cè)［J］．鐵道建筑，2011(6):65-67．