新建市政道路施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全影響分析

李新偉，趙占群

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450000；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731）

地鐵線路周邊施工環(huán)境復(fù)雜，建筑物、構(gòu)筑物密集，自然地質(zhì)環(huán)境多變，人們對(duì)工程環(huán)境問(wèn)題的研究，大多出于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)階段，而基礎(chǔ)理論數(shù)字化、模型化的成果不多[1]。比如道路放坡開(kāi)挖對(duì)其鄰近結(jié)構(gòu)的影響，有時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)法確定，但結(jié)果常常難以滿足使用要求。特別是在既有地鐵結(jié)構(gòu)附近修建其他工程項(xiàng)目時(shí)，如果不能正確評(píng)估周邊工程對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)，則經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響難以估計(jì)。因此，正確評(píng)估周邊工程對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全性意義重大。

本次評(píng)估的對(duì)象主要是地面道路施工對(duì)廈門地鐵2號(hào)線金高區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形及地面的沉降隆起分析，重要性非同一般，關(guān)乎地鐵結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

擬建市政道路圓二路（金二路至金鐘路段）位于廈門市湖里區(qū)泥金社區(qū)、東宅片區(qū)及五通小區(qū)，原始地貌單元屬坡洪積準(zhǔn)平原，現(xiàn)狀大部分為綠地，地坪高程為6.42～9.62m。金二路至金鐘路段基本與下覆地鐵線路（廈門地鐵2 號(hào)線金融中心站～高林區(qū)間）平行敷設(shè)，金高區(qū)間隧道拱頂覆土9～15m，線間距12.5m～17m，隧道洞身主要穿越粉質(zhì)黏土、砂土及殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化層地層，地下水位埋深0.5～4.5m。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，采用平板型單層鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑6.2m，厚度350mm，環(huán)寬1.2m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。

金二路至金鐘路段雨水管道、污水管位于規(guī)劃道路左側(cè)人行道下方，兩條地鐵隧道中間上方，部分段落與隧道存在小角度平面相交。最大埋深3.5m，采取1∶0.75放坡開(kāi)挖方式，坑底最大開(kāi)挖至管底0.62m，與隧道最小豎向凈距6.9m。

圖1 金二路至金鐘路段與金高區(qū)間橫斷面位置關(guān)系圖

2 安全評(píng)估分析

擬建圓二路施工過(guò)程中的挖填方，道路碾壓設(shè)備的激振力，雨水、污水管溝的開(kāi)挖及回填等，都會(huì)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生卸荷、加載，致使地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降或隆起位移。本次安全評(píng)估重點(diǎn)對(duì)以上幾方面展開(kāi)計(jì)算分析。

2.1 模型參數(shù)

計(jì)算過(guò)程需對(duì)道路施工荷載予以重點(diǎn)分析，其中土石方的開(kāi)挖、回填及路基碾壓所需各種施工機(jī)械車輛荷載，簡(jiǎn)化為均布荷載處理，荷載取值為50kN/m2；路基及管線埋設(shè)完成后，考慮路面瀝青鋪設(shè)及綠化等施工荷載，均布荷載按20 kN/m2取值。

此段區(qū)間從上至下各地層物理力學(xué)指標(biāo)取值見(jiàn)表1，模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 各層地層的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 模型計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算模型

金融中心站～高林站區(qū)間上方道路為圓二路與金三路交叉路段北側(cè)（道路起點(diǎn)至BK0+381.055），隧道拱頂與路面的垂直凈距為最小11 米，與雨水、污水管道的垂直凈距離最小為7 米。

本段道路存在較厚雜填土、素填土層，不得直接作為路基持力層，需進(jìn)行挖除或翻挖碾壓處理。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)道路路槽以下的雜填土挖至管基底部50cm，再用好土分層碾壓回填至路槽底設(shè)計(jì)標(biāo)高。

圖2 特殊路基處理設(shè)計(jì)開(kāi)挖方案示意

采用Midas GTS NX 建立整體三維模型[2]，以道路寬度方向?yàn)閄 軸，以地鐵隧道縱向方向?yàn)閅 軸，豎直方向?yàn)閆 軸，計(jì)算模型及相應(yīng)的位置關(guān)系見(jiàn)下圖：

圖3 路面、管道與隧道相對(duì)位置關(guān)系示意圖

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算過(guò)程分別提取路基處理+素填土挖除、管道鋪設(shè)、分層回填碾壓及道路結(jié)構(gòu)施工完成后隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移及水平位移，計(jì)算結(jié)果整理如下表所示：

表3 區(qū)間左、右線隧道位移結(jié)果匯總

從表中可知，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)最大豎向位移為左線拱頂部位，最大值為7.31mm，水平位移為右線右邊墻部位，最大值為3.36mm。素填土挖除置換過(guò)程中，隧道結(jié)構(gòu)最大上浮7.31mm，超過(guò)豎向位移預(yù)警值（6mm），存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

3 方案建議

結(jié)合計(jì)算結(jié)果可知，在素填土大于4.3m 地段，原設(shè)計(jì)方案挖除素填土至管基以下50cm，對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響較大，存在不可控因素。建議適當(dāng)減少土體置換開(kāi)挖深度，將隧道結(jié)構(gòu)上浮量控制在5mm 左右，可將置換土坑底深度設(shè)置為3m，坑底以下部分采取重復(fù)碾壓加強(qiáng)基底的措施，其中雨水、污水管基斷面仍按1∶0.75坡度正常開(kāi)挖置換土體。

根據(jù)計(jì)算過(guò)程分別提取路基處理+素填土挖除、管道開(kāi)挖鋪設(shè)、分層回填碾壓及道路結(jié)構(gòu)施工完成后隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移及水平位移，計(jì)算結(jié)果整理如下表所示：

表4 隧道左右線位移及收斂結(jié)果匯總（素填土置換3m）

從表中可知，對(duì)路槽以下的素填土置換3m 厚度時(shí)，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)最大豎向位移為左線拱頂部位，最大值為5.31mm，小于豎向位移預(yù)警值6mm。水平位移最大為右線右邊墻部位，最大值為2.50mm，其變形值滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖4 特殊路基處理設(shè)計(jì)開(kāi)挖方案示意

圖5 路面、管道與隧道相對(duì)位置關(guān)系建模示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）路基開(kāi)挖施工產(chǎn)生一定的卸荷效應(yīng)，土體開(kāi)挖導(dǎo)致區(qū)間周圍土體產(chǎn)生向內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)，在土體變形傳遞效應(yīng)的影響下，金高隧道區(qū)間產(chǎn)生一定的上浮和水平位移。在路基填方段，道路施工產(chǎn)生一定的附加荷載（填土靜荷載和路面碾壓動(dòng)荷載），會(huì)在一定程度上導(dǎo)致土層豎向土壓力增大，對(duì)應(yīng)的水平土壓力減小，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變形。圓二路地下市政管線基槽開(kāi)挖產(chǎn)生一定的卸載效應(yīng)，造成地鐵隧道區(qū)間產(chǎn)生一定的變形。

（2）結(jié)合數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果表明，圓二路工程在路基開(kāi)挖處理及管溝埋設(shè)整個(gè)施工流程中，金融中心站～高林站區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)在不同工序下產(chǎn)生了一定的豎向及水平位移，如管溝開(kāi)挖中隧道產(chǎn)生一定的上浮，路基碾壓處理中發(fā)生一定的沉降，總的結(jié)果產(chǎn)生一定的豎向位移和水平位移，但變形數(shù)值均在變形控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)（預(yù)警值6mm）。

（3）建議在金二路至金鐘路段，存在較厚素填土及雜填土地段，土體置換時(shí)開(kāi)挖深度宜控制在3m 以內(nèi)（超過(guò)3m 深度的素填土可采取重復(fù)碾壓等土體改善措施）或者通過(guò)優(yōu)化施工組織采取跳倉(cāng)分段開(kāi)挖等措施，以盡量減小路基挖方對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的卸荷上浮影響；同時(shí)路基及溝槽開(kāi)挖后暴露時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，并做好地面截水和排水措施，防止地表水浸泡基槽，及時(shí)鋪設(shè)管道并分層回填碾壓。

（4）三維數(shù)值分析建立在土層各向同性、靜態(tài)施工的基礎(chǔ)上，無(wú)法考慮施工期間地下水的變化以及施工或其它因素對(duì)地層物理力學(xué)參數(shù)的影響，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際可能存在一定的偏差，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理及信息化溝通工作、以信息化指導(dǎo)施工[3]。