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暗挖通道下穿机场高速公路的影响性分析

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：胡秋斌

[导读] 摘要：本文以北京地铁12号线三元桥站暗挖换乘通道下穿首都机场高速公路工程为例，研究了暗挖通道下穿高速公路对既有过街通道及高速公路的影响，采用Midas有限元软件对下穿高速公路工程进行数值模拟分析，分析其安全性并对比了不同施工方案的风险。

        天津市市政工程设计研究院轨道交通院天津 300051
        摘要：本文以北京地铁12号线三元桥站暗挖换乘通道下穿首都机场高速公路工程为例，研究了暗挖通道下穿高速公路对既有过街通道及高速公路的影响，采用Midas有限元软件对下穿高速公路工程进行数值模拟分析，分析其安全性并对比了不同施工方案的风险。本文采用理论结构计算并结合工程实际，对穿越工程进行了安全性评估，给出了较为优化的施工方案，对实际暗挖工法穿越既有建构筑物工程具有一定的指导意义。
        关键词：暗挖通道；注浆加固；有限元模拟；下穿
        0 引言
        暗挖法施工具有施工速度快、工法灵活多变、便于机械化施工、对周边环境影响小等优点，被广泛应用于铁路及公路工程中。尽管城市隧道及地下工程中矿山法施工技术已较为成熟，但由于工程地质条件及工程环境的复杂，施工中仍有工程事故发生，施工风险仍然存在，施工难度高。穿越工程复杂程度高、风险大，施工时面临的问题更多，对于穿越工程需要在设计中进行多方案的比选研究，确保工程安全性。
        近些年来一些学者对暗挖法施工技术及所存在的问题进行了试验和理论分析研究，得出了一些宝贵的经验结论，但对于暗挖隧道下穿既有高速公路的影响性分析较少。王刚等[1] 基于风险分析理论、数值模拟方法对地铁区间下穿既有铁路站场安全风险定量评价和专项设计技术进行研究。通道在评估中采用数值模拟针对主要风险源进行量化分析, 制定了相应的安全风险应对措施。李媛[2]对暗挖隧道下穿既有车站的施工措施进行研究，结果表明对新建线路采用下穿既有车站深孔注浆技术可达到加固土体的目的,并加强了地层的自稳能力。元华梁[3] 对暗挖隧道下穿市政路注浆方案沉降结果进行分析，采用理论公式计算和有限元分析的方法，分析结果表明注浆措施有效地控制了地面沉降,满足市政管理方相关要求。本文结合实际工程，对暗挖通道下穿高速公路工程进行模拟分析，对实际工程进行了安全性评估，并给出了相关的施工方案指导措施。
        1工程概况
        1.1 工程概况
        北京地铁12号线三元桥站与既有10号线三元桥站换乘通道下穿机场高速公路段为矿山法施工，暗挖通达从换乘厅接出后，下穿首都机场高速公路，并临近既有10号线三元桥站在机场高速路下的过街通道。过街通道覆土厚度约0.3m，过街通道底板所处地层为杂填土1-1层，底板埋深约3.6m，暗挖通道顶与过街通道底板竖向净距0.8m，暗挖通道分为左右两个，埋深及结构大小相同，覆土厚度均为4.99m，左暗挖通道与过街通道的水平净距1.37m，右暗挖通道与过街通道的水平净距4.87m。

        图1 暗挖通道与机场高速公路立面相对位置关系图
        1.2 工程地质及水文地质条件
        1.2.1工程地质条件
        该工程位于北京市市区内，综合沿线勘察情况，在54.0m深度范围内，根据收集资料、钻探资料及室内土工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本区段工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层三大类。暗挖通道拱顶埋深约为4.99m，主要穿越土层为③4粉土、③5粉质黏土、④3粉细砂；过街通道顶板埋深约为0.3m，主要穿越①1杂填土。
        1.2.2水文地质特征
        本次勘察在54.0m深度范围内包含3层地下水，水层号为潜水（二）、承压水（三）、承压水（四）。在暗挖通道穿越机场高速公路范围内存在1层地下水，潜水（二）水位埋深为11.98~12.32m，含水层为粉细砂③3层、黏质粉土砂质粉土④2层、粉细砂④3层及中粗砂④4层。受隔水层粉质黏土③5层的影响，该层水局部具有微承压性。主要接受大气降水及侧向径流补给，以侧向径流、向下越流补给的方式排泄。暗挖通道拱顶埋深约为4.99m，未进入潜水（二）层。
        2数值模拟分析
        2.1建立模型
        隧道施工对周边环境影响评价方法大致分为3类：经验与解析法、数值分析法、相似材料物理模拟方法。每种分析方法都有其优势及适用范围的局限性，经验与解析法对同一地区的类似工程进行对比，可较为方便、相对准确得进行环境影响分析；相似材料物理模拟方法可对拟建工程进行较为深入的模拟分析；数值分析法在选取合适的本构模型及地层参数的基础上，也可以快捷、准确得模拟工程建设，根据模拟计算结果选择、调整保护措施，达到保护周边环境的效果。
        本文采用MIDAS-GTS有限元软件，分析暗挖通道施工对机场高速路及过街通道的影响。在原始地层条件下，对左右暗挖通道施工进行模拟，模型宽89.7m，深30.7m。根据地层条件将土层分为杂填土①1、粉土③4、粉质黏土③5、粉细砂④3、粉质黏土④、粉质黏土⑥4、六个土层，各土层物理参数如表1所示。
                           表1 土层物理参数

        土体采用实体单元模拟，暗挖通道初支结构与过街通道结构通过析取周围土层，采用板单元模拟；土体本构模型选取修正摩尔-库伦模型，暗挖通道与过街通道本构模型选取弹性本构模型，注浆加固通过改变土层参数来模拟加固后的土层。过街通道为初始条件下存在，模型通过钝化和激活单元来模拟实际施工步序。本文通过改变施工步序对比了注浆加固、左右暗挖通道施工先后顺序对机场高速公路及过街通道的影响，计算模型如图3所示。

        图3 计算模型示意图
        2.2结果分析
        2.2.1高速公路影响性分析
        该工程位于北京市市区内，综合沿线勘察情况，在54.0m深度范围内，根据收集资料、钻探资料及室内土工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本区段工程场地勘探范围内
        左右线暗挖通道施工前将过街通道及土体自重的引起的位移清零，建立了两个施工工况模拟注浆开挖和不注浆开挖对机场高速和过街通道结构的影响。高速公路地表沉降如图4所示。不进行注浆加固条件下地表沉降为10.6mm，注浆加固条件下地表沉降为6.99mm。结果表明，注浆加固土层可以有效减小暗挖通道下穿机场高速路造成的地表沉降。

        （a）左右通道开挖前注浆加固周围土层

        （b）左右通道开挖前不注浆加固周围土层
        图4 暗挖通道施工完成后机场高速路地表沉降（单位m）
        本文根据开挖工序建立了三个施工工况模拟左右通道先后施工对机场高速公路的影响，各工况计算结果如图5、图6所示。左右通道同时施工工况下地表沉降较左右通道先后施工工况下大，且左通道先开挖右通道后开挖工况下地表沉降最小。左通道距离过街通道较近，受过街通道的影响大，若右通道先开挖，对土体产生一定的扰动后，再开挖左通道，过街通道处周围已经扰动的土体再次被扰动，产生的变形就相对单独开挖左通道大一些；而先开挖左通道后再开挖右通道工况下，由于右通道距离过街通道较远，对过街通道产生的影响小，所以最终产生的叠加变形小。根据模拟分析结果，建议采用先施工左通道后施工右通道的方案，此施工方案对机场高速路影响相对较小。

        （a）左通道开挖施工后地表沉降

        （b）右通道开挖施工后地表沉降
        图5 左通道先开挖工况下地表沉降（单位m）

        （a）右通道开挖施工后地表沉降

        （b）左通道开挖施工后地表沉降
        图6 右通道先开挖工况下地表沉降（单位m）
        2.2.2过街通道影响性分析
        左右通道同时开挖工况下过街通道的结构变形如图7所示，不注浆加固条件下过街通道结构最大沉降2.79mm，注浆加固条件下过街通道结构最大沉降2.04mm，与高速路地表沉降类似，注浆加固可减小暗挖通道开挖对过街通道结构产生的变形。

        （a）左右通道开挖前注浆加固周围土层

        （b）左右通道开挖前不注浆加固周围土层
        图7 暗挖通道施工完成后过街通道结构变形（单位m）
        根据本文不同施工工况下的计算结果可得各工况下过街通道的结构变形如图8、图9所示。左右通道同时施工工况下过街通道沉降较左右通道先后施工工况下大，且左通道先施工右通道后施工工况下地表沉降最小。左通道先开挖时过街通道发生向左侧的倾斜，右通道后开挖时过街通道的向左侧的倾斜有所减小，所以最终过街通道产生的沉降相对较小。

        （a）左通道开挖施工后过街通道沉降

        （b）右通道开挖施工后过街通道沉降
        图8 左通道先开挖工况下过街通道结构变形（单位m）

        （a）右通道开挖施工后过街通道沉降

        （b）左通道开挖施工后过街通道沉降
        图9 右通道先开挖工况下过街通道结构变形（单位m）
        根据原始地层条件下的有限元分析结果，机场高速公路沉降及过街通道结构变形满足评估规范中变形要求，地铁暗挖通道在下穿施工中可以保证机场高速路及过街通道结构的安全性。施工中在进行辅助措施后，机场高速路地表变形能达到要求，同时结合数值分析结果推荐先施工左侧通道后施工右侧通道的施工方案。
        3 结语
        本文通过对暗挖通道下穿机场高速路进行数值模拟分析，得出对实际工程应用的参考建议。
        （1）暗挖通道下穿机场高速路施工会引起机场高速路及过街通道结构的沉降变形，但合理施工时变形在可控范围内；采用注浆加固土体的措施可有效减小地表沉降及过街通道结构变形。
        （2）根据数值分析结果，建议采用先施工左侧通道后施工右侧通道的工序，可相对减小对高速路及过街通道结构的影响，降低施工风险。
        （3）现场施工对于穿越工程，应严格控制施工质量，同时加强加密施工监测，有效预防施工风险，保证施工安全。
        参考文献：
        [1] 王刚, 李俊松, 张兴刚. 地铁区间暗挖隧道下穿既有铁路站场安全风险管理研究[J]. 铁道标准设计, 2014, 000(009):93-98.
        [2] 李媛. 暗挖隧道下穿既有车站的深孔注浆及保护措施[J]. 都市快轨交通, 2014, 027(005):76-79,92.
        [3] 元华梁, 张艳, 崔玉武. 暗挖隧道下穿市政路注浆方案沉降分析[J]. 工程建设, 2019, 051(001):69-73,86.