長沙地鐵4號線區間對湖南大學工程館影響分析

劉 磊

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

長沙地鐵4號線區間對湖南大學工程館影響分析

劉 磊

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

研究目的：湖南大學工程館為國家重點保護文物，側穿湖大工程館是長沙地鐵4號線工程的難點之一。為分析盾構側穿對湖大工程館的影響，本文分別采用經典的Peck法和PLAXIS有限元法對盾構施工過程進行了理論計算分析，根據計算結果制定了相應的文物保護措施，同時對地鐵運營過程中列車震動對工程館產生的影響進行了理論分析。為同類工程積累了經驗。

研究結論：在不采取保護措施的情況下，隧道開挖完成后，湖南大學工程館最大沉降在靠近盾構區間一側，約2.8mm，與采用peck經驗公式計算出的2mm接近，滿足標準要求。湖大工程館前后約790m路段采用液體阻尼鋼彈簧浮置板道床，采取措施后地鐵引起的振動速度降低至0.112mm/s,低于《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）規定的限值，湖南大學工程館的振動速度維持現狀。

地鐵；盾構隧道；文物；鋼彈簧浮置板道床；減震

1 引言

我國城市軌道交通建設日益增多，存在較多城市軌道交通線路需穿越既有鐵路情況。地鐵區間盾構施工必須保證鐵路安全和正常運營，目前類似且已經成功的實例已不鮮見。本文就長沙地鐵4號線湖阜區間盾構施工對國家重點保護文物湖南大學工程館的影響進行了理論分析，并提出了相關保護措施為后續相關工程提供參考[1～4]。

2 工程概況

湖南大學站～阜埠河路站區間隧道出湖南大學站后，沿麓山南路向南前進，在麓山南路與牌樓路交叉口從湖南大學國家重點保護文物湖南大學工程館東側經過，區間隧道采用盾構法施工。湖南大學工程館，今為湖南大學教學北樓。建于1947年，建筑面積7430㎡。著名建筑學家、建筑教育家柳士英設計，目前已被列為國家重點保護文物。鑒于本段文物的重要性，通過對城墻的基礎資料的研究、對區間埋深進行研究，對不同的隧道施工狀態對建筑物基礎的影響大小的研究，提出相應的對策，達到對文物影響最小、可實施性強的目的，為盾構施工提供技術保證。

地鐵隧道結構采用預制鋼筋混凝土管片，外徑6m，內徑5.4m，管片厚度300mm。

湖南大學站～阜埠河路站區間出湖南大學站后沿麓山南路向南前進，在下穿牌樓路后，在牌樓路與麓山南路交叉口西南角從湖南大學工程館東側經過。區間采用盾構法施工，區間隧道與工程館基礎最小水平凈距約10.41m，最小豎向凈距約9.29m。盾構區間隧道主要位于中風化灰巖地層。

地鐵區間隧道與工程館相互位置關系如圖1所示。

圖1 地鐵區間隧道與工程館相互位置關系圖

3 Peck法估算地表沉降

1）Peck經驗公式

其中：

Sx——橫向地表沉降量；

Vl——盾構隧道單位長度地層損失量，m3/m；

x——地表距離隧道中心線的水平距離；

Smax——隧道中心線處最大地表沉降量；

i——沉降槽寬度系數（隧道中心線至沉降反彎點的距離），；

R——盾構半徑；

Z——盾構中心處埋深。

采用peck經驗公式法分析湖南大學工程館沉降量詳見圖2。本次分析以隧道施工地層損失率為1%考慮。運用peck公式計算得到工程館基礎的最大沉降量為2mm，滿足標準要求。

圖2 工程館段盾構引起的地面沉降隨距離變化圖

2）湖南大學工程館實體建筑距離盾構結構邊線約10.41m，理論計算結果顯示盾構施工產生的沉降滿足標準要求，考慮到文物的歷史價值及盾構施工可能存在的不確定性，施工時建議采取必要的防護措施。

4 盾構掘進對既有鐵路影響數值分析

4.1 有限元模型及工況

本次模擬計算使用巖土工程專業軟件PLAXIS8.2進行二維有限元模擬，計算將根據其單元特性選擇實體單元進行模擬圍巖以及板單元模擬支護結構體。

本計算模型盾構隧道直徑取6m，模型寬度約為70m，垂直方向為35m，垂直方向從地表向下選取埋深，隧道埋深取11.3m，模型尺寸滿足邊界的影響。本報告主要分析盾構隧道通過湖南大學工程館時，工程館及隧道結構的穩定性、安全性。模型中x軸方向為水平方向,向左為正；y軸為垂直方向，具體模型見圖3。

圖3 盾構隧道對湖南大學工程館影響分析模型

4.2 計算參數及工況

1）地層計算參數

圍巖參數按照《長沙市軌道交通4號線一期工程KC-2標段初步勘察階段巖土工程勘察報告》進行選取如表1，管片力學參數見表2。

表1 圍巖參數

表2 管片支護計算力學參數表

2）計算工況

計算中考慮先施作一條隧道，隧道施工模擬時共考慮10個工況，即隧道開挖至站臺1下方→開挖至站臺1與站臺2之間軌道下方→開挖至站臺2下方→開挖至站臺2與站臺3之間軌道下方→開挖至站臺3下方→開挖至站臺3與站臺4之間軌道下方→開挖至站臺4下方→開挖至站臺4與站臺5之間軌道下方→開挖150m完畢[6]。然后再模擬施工另一條隧道，同樣考慮10個工況。

4.3 盾構穿越對地表沉降影響分析

隧道開挖后的地表變形及盾構變形規律如下圖所示。

圖4 盾構區間對工程館影響分析z向位移云圖

由圖4可知，隧道開挖完成后，湖南大學工程館最大沉降在靠近盾構區間一側，約2.8mm，與采用peck經驗公式計算出的2mm接近，滿足標準要求。

5 下穿段環境振動影響分析

1）古建筑防工業振動技術標準

《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）規定,以水平方向的振動加速度作為評價指標，具體的標準值如表3所示。

表3 古建筑磚結構的容許振動速度（mm/s）

2）監測結果分析

根據監測結果，湖南大學工程館的基礎處的水平振動速度為0.05mm/s，承重結構最高處的水平振動速度為0.25mm/s,對照《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）的標準，湖南大學工程館的振動速度現狀超標0.10mm/s。

3）預測結果分析

根據《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）的有關公式進行預測，預測湖南大學工程館的承重結構最高處的水平振動速度為2.0mm/s,對照《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）的標準，湖南大學工程館的振動速度超標1.85mm/s。

4）減震措施及效果

鋼彈簧浮置板道床是將浮置板置于螺旋鋼彈簧隔振阻尼器上，浮置板的質量設計得越大減振性能更好，采用固體阻尼時減振效果約為12～15dB，采用液體阻尼時減振效果可達20-25dB，低頻段減振效果更明顯。

圖5 鋼彈簧浮置板道床

鋼彈簧浮置板道床維修更換方便，無需動用大型設備更換隔振阻尼器，不影響行車，適用于各種隧道結構。隔振阻尼器使用壽命長，可中置也可側置。但其造價較高，液體阻尼鋼彈簧浮置板單線每公里造價約2000萬元。

本工程從湖南大學工程館東側12.9m（外軌中心線與工程館結構邊線距離）處經過，該路段（YAK29+360～YAK30+150）段（約790m）擬采用液體阻尼鋼彈簧浮置板道床，采取措施后地鐵引起的振動速度降低至0.112mm/s,低于《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）規定的限值，湖南大學工程館的振動速度維持現狀。

6 保護措施

根據前面分析，湖南大學工程館實體建筑距離線位最近水平距離約10.41m，豎向距離約9.2m，隧道盾構施工影響較小，只要施工工法得當，盾構施工產生的地面沉降在二者容許的沉降范圍內，不會影響文物建筑本體的安全。為了更好的保護文物，提出如下文物保護方案。

1）施工前，合理地進行盾構機選型，控制好工作面土方開挖，保持工作面土壓力穩定；

2）組織盾構區間施工，首先右線先通過，施工過程中加強地表沉降及建筑傾斜監測，根據監測結果指導左線施工；

3）盾構推進的初始100m長度作為實驗段，根據地面變形監測數據及盾構施工所采用的參數，不斷優化調整，以使盾構在全線推進中，能隨地質、物探、環境條件變化而動態變化地、合適地確定施工參數，保證盾構勻速、連續通過；

4）盾構推進時，對盾構外徑及襯砌外徑間的環行空隙同步壓注漿液，減少盾尾通過后隧道外周圍形成的空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此而產生的負摩阻力；

5）隨時調整盾構施工參數，減少盾構的超挖和欠挖，以改善盾構前方土體的坍落和擠密現象。為防止管片環變形，必須使用形狀保持裝置等來確保管片組裝精度，同時充分緊固接頭螺栓；

6）施工的安全風險管理按照特級風險點進行控制管理和進行風險評價，制定施工期文物安全應急預案；

7）現場監控量測項目、測點布置、監測手段與監測頻率監測重點包括：湖南大學工程館監測和盾構區間監測湖南大學工程館下盾構區間具體的監測項目、監測布點同正常的盾構區間一致進行監控量測布點處理，但頻率須加密，另外尤其還要對湖南大學工程館周邊進行地面沉降觀測。

7 結論

本次研究結合地鐵盾構隧道側穿既有文物施工經驗，并結合理論計算和現場實測結果，得到以下結論：

1）長沙市軌道交通4號線一期工程的建設，不傷及各類文物保護單位的主體，不破壞長沙“山、水、洲、城”的完整性，基本上不會影響長沙歷史文化名城格局和風貌；

2）按照文化遺產保護相關要求對建筑高度、體量、色彩、風格等外觀風貌等方面進行相關設計。在建筑高度、體量、色彩、風格等方案，遵循與湖南大學工程館整體景觀風格一致、與周邊環境相協調的原則；

3）線路經過湖南大學國家重點保護文物工程館區段位于20m保護范圍內，建筑基礎與區間隧道水平凈距約10.41m，豎向凈距約9.2m，經計算地鐵線路對工程館影響滿足沉降控制標準，但為保證工程館在施工過程中的安全，制定了嚴格的保護措施及應急預案；

4）本工程下穿湖南大學工程館文物路段，地鐵引起的振動速度超標量1.85 mm/s，擬采用液體阻尼鋼彈簧浮置板道床，措施實施后工程館處地鐵引起的振動速度達標，工程館的振動速度可維持現狀。

[1]呂培林,周順華.軟土地區盾構隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規律分析[J].中鐵路道科學,2007(2).

[2]高俊強,胡燦.盾構推進和地表沉降的變化關系探討[J].南京工業大學學報(自然科學版),2005(4).

[3]凌昊,仇文革等.雙孔盾構隧道近接施工離心模型試驗研究[J].巖土力學,2010,9(31):2849～2853.

[4]田海波,宋天田.軌道交通9號線下穿鐵路工程風險及對策研究[J].地下空間與工程學報,2007(1).

劉磊（1983-），男，河南洛陽人，碩士，工程師，主要從事地下隧道領域的設計與研究工作。