新建道路工程对下卧软土双圆盾构隧道影响的数值分析

李筱旻

(上海申通地铁集团有限公司，上海 200030)

0 引 言

很多大城市地铁线路开始向郊区延伸，以连接中心城区与交通枢纽、卫星经济重镇.城市郊区的土地开发热，施工活动频繁，监督管理成本相比市区范围要高，效果要差.轨道交通安全保护区内城市建设活动势必会影响地铁结构的安全[1-2].上海地铁2号线发生过北翟路绿化项目和东延伸高堆土、嘉定临时堆土等地铁上方突发大面积堆载的案例[3].后期的整治工作困难大，类似突发堆载及违规施工造成地铁隧道结构因受局部不均衡轻量加载发生较大沉降漏斗及道床漏泥现象[4-10]，证明在软土地区轻量加载会对地铁结构产生不利影响，引起了各相关单位的高度重视.

随着城市规划建设向外拓展，类似工程项目还会持续增加.本文研究上海2号线东延伸川环南路新建道路工程4标段施工对下卧双圆盾构地铁隧道结构的影响，分析EPS换填技术在道路工程中的应用，通过轨道结构的监测数据，来验证EPS零荷载设计的合理性.通过数值模拟道路施工过程，分析预测对受不均匀加卸载影响的双圆盾构隧道结构的变化过程，为后续类似的新建道路工程对地铁结构保护提供参考.

1 工程概况

1.1 工程背景

2号线东延伸川环南路新建道路工程项目位于上海市浦东新区曙光路以东、川南奉公路以西.全长约2.8 km，道路宽约40.0 m.本项目4标段临近轨道交通2号线川沙路站至远东大道站区间段，工程范围为K1+160.0～K1+860.0，其中地铁2号线川沙东站东侧位置涉及河道填筑及低洼路段填筑(见图1).

1.2 与上海轨道交通2号线位置关系

该道路工程4标段位于轨道交通2号线的正上方，即盾构隧道下卧在新建道路之下.该处的盾构隧道为双圆隧道，隧道宽度为11.2 m(2×5.6 m)，隧道的高度为6.1 m，距离道路的垂直距约为10.0 m.在道路南侧新挖河道工程与区间隧道走向平行，开挖深度约4.0 m，河道边线与区间隧道结构外边线最小净距离约40.0 m.与双圆盾构隧道的空间位置图(见图2).

1.3 项目工程难点

(1)沿线影响范围长，换填面积大

图3为2015年4标段工程范围内的原始地貌图.从图中可以发现原始地貌多为农田、河浜、低洼地等.工程范围内需要进行填方或挖方施工，从而涉及场地标高改变，对其下卧的盾构隧道加载或卸载.此外，施工交叉界面多，施工机械、堆土堆物等临时荷载多，难以实时准确掌握工况，此类大范围长里程上方换填影响可借鉴的案例较少，施工管理和技术的难度都较大.

图3 标段4(凌空路站-新川河桥)地貌图(2015年)

(2)地质风险高

项目拟建场地位于古河道分布区，70.0 m深度范围内均为第四纪松散沉积物，场地内为软土.主要由饱和粘性土、粉性土及砂土组成；第⑤层厚度较厚，缺失第⑥层，第⑦2层层顶埋深较深；由于隧道埋深较浅，隧道主要赋存和下卧土层都为深厚软土层，如标段3赋存于④层，标段4赋存于第③、④层，下卧土层都为第⑤层，该类土层均具有高灵敏度、低强度等特点；同时该区域有暗浜分布，地质条件风险较大.

(3)已有轨道交通结构变形大

根据截止于2013年6月轨道交通结构的定期监测数据，2号线川沙路站～远东大道站上行线最大累计沉降约-22.22 mm，下行线最大累计沉降约-27.33 mm，大部分线路沉降在-10.0 mm以内；2号线川沙路站～远东大道站的隧道上行线最大累计收敛为42.0 mm，下行线最大累计收敛为46.0 mm，大部分线路收敛在35.0 mm以内.

2 零荷载设计及轨道交通监护

2.1 技术标准

对该道路工程进行了严格技术申审，主要技术控制要点如下：

(1)地铁保护等级为一级.运营线路和在建线路及结构保护要求：最终绝对沉降(或隆起)量和水平位移量<10.0 mm；地铁结构位移、沉降量或隆起速率达到0.5 mm/d；监测值不得超过日监控指标或总变形控制量的1/2；以及不能发生其它危及地铁结构安全的事情.

(2)道路工程凡新增荷载超出既有地面0.5 m必须严格控制.道路工程位于双圆区间隧道及车站正上方，路面现状标高约3.7～6.4 m，设计标高约3.9～7.1 m.高于4.5 m的高路堤路段(且大于原地面标高0.5 m以上)必须采用EPS进行换填.

(3)地铁侧严禁大量堆载，隧道上方及两侧10.0 m范围内不得放置大型器材.加载要求控制在

1.0 t/m2以内.

2.2 施工过程及监测数据分析

根据工程的实际进度，将关键施工节点统计，得到表1.

表1 4标段主要的进度概况

由图2和图4得知，地铁隧道位于标段4道路正下方，隧道上行线中线南侧为河道，河道东偏北走向；而测点SX123至SX131对应地表为标高为2.8 m低洼地(2016—03—30).根据监测数据，绘制特征点历时曲线(见图5).在2016—11—02前，主要施工为河道清理和EPS材料换填，道路标高整理至3.3 m，除测点SX123至SX131上方外，其他地段有轻微卸载工况，隧道过程中表现为轻微上抬；自2016年11月初，开始进行路基施工和混凝土浇筑，标段4全段下方隧道表现为下沉，以测点SX126为中心的隧道段表现为持续下沉，对比图4和设计及施工工况记录，SX126上方的低洼地直接进行了素土回填，荷载增加约1.5 m覆土厚度，初步分析是造成持续下沉的主要原因；SX131测点东侧的监测数据曲线变化相对稳定，表明EPS材料换填措施良好.

图4 标段4地表标高及工况图

图5 标段4垂直位移特征点历时曲线图

3 岩土力学模型分析

3.1 模型考虑要点

本文采用ZSOIL.PC岩土工程数值分析软件建模，对4标段沉降漏斗上方道路挖填方施工全过程进行了模拟，研究路基施工换填及堆载以及卸荷治理对隧道变形的影响.主要分析要点有：

(1)土体本构模型采用小应变硬化土模型(HSS)，模型参数结合岩土工程勘察报告及已有工程经验综合确定.

(2)基于比奥固结理论进行流固耦合分析.

(3)考虑了由于地铁隧道结构施工(土体隧道区域内土体开挖、后注浆)对地铁周边地层原位应力的扰动以及由于应力场的变化而导致的土体应力水平、土体刚度及强度的影响.

(4)考虑衬砌结构的螺栓连接，即在拼接处设置非线性弹簧铰，以求真实反映隧道结构的刚度特性.

(5)通过地层损失量(地表沉降量)校核地铁施工模拟是否合理.

(6)考虑地铁隧道结构施工后固结300 d，根据计算结果，基本达到沉降稳定状态.

(7)计算不考虑隧道自身的运营期间，车辆震动荷载等引起的隧道附加沉降.

(8)边界条件：模型两侧限制法向位移，底部限制法向和切向位移.水头边界为两侧固定水头为2.75 m，底部不排水.

3.2 数值分析模型

模型计算域大小为200 m×50 m，南侧河浜原地面处宽度为15.6 m，河底深度为1.24 m(见图6)，其余挖填方尺寸依据实际施工标高工况.数值计算的模型(见图7).

图6 模型示意图

图7 数值分析整体模型

3.3 模型计算参数

本次分析采用的地层为1211环附近的Q10XZ1静力触探孔(静力触探曲线详勘勘察报告)，孔口标高3.24 m，分层(见表2).

土性参数根据勘察报告和相关经验选取.HSS模型参数设置(见表3).

3.4 计算工况

结合现场的关键施工工序，用于模拟的14步施工工序，具体(见表4)施工工序表.

表2 原状土层分布情况

表3 第④层淤泥质黏土层HSS模型参数

表4 模拟施工工序

3.5 结果分析

图8在2017年3月14日之前是隧道结构各观测点的数值计算位移与实测道床位移在相应日期的沉降时程曲线对比图，除了时间节点的匹配性相对较差外，总体趋势数值计算和实测基本吻合，沉降的最大值和最小值也接近.从曲线可以看出，在大面积加载和卸载时，隧道的位移响应十分明显，2017年3月14日之后的曲线段是预测值.由于现阶段低洼地回填及道路具体日期不详，以天数表示，图9是预测的后期施工引起的隧道附加沉降量曲线(横坐标时间表示道路加载之后的天数)，从曲线可以看出，在大面积加载和卸载时，隧道的位移响应十分明显；整个计算过程考虑流固耦合的固结计算，每一次较大面积的加卸载后，隧道变形在几天内即会剧烈响应.预计100 d左右的隧道附加沉降为3～4 mm.

本次典型断面的建模数值计算分析结果，与隧道实际施工的隆起和沉降绝对数值基本匹配.根据计算结果和监测结果，有限元分析结果的主要结论如下：

(1)因加卸载面积较大，隧道上方即使挖填方的厚度不大，隧道的隆起和沉降反应仍然较为明显；

(2)零附加荷载的设计方法，忽略了挖填方时，土体所经历的应力释放和再加载的应力历史，并不能真正实现隧道的零附加位移；

(3)目前初步使用的土体本构模型及计算参数选用基本合理，可以作为后续工程参考的工程案例；

(4)建议类似工程采用简化模型的方式，考虑不同隧道埋深和道路挖填方高度，针对零荷载设计所忽略的土体应力释放及再加载的应力历史，重点分析隧道对其的影响规律，从而提出考虑挖填方应力历史的隧道上方道路设计要求，如负荷载设计等.

图8 隧道结构各监测点的位移发展曲线与实测道床在对应日期的沉降对比图

图9 预测后期施工隧道的附加沉降量

4 结 论

本文分析了2号线东延伸川环南路的施工对下卧隧道结构的影响，结合现场监测数据，通过数值模拟计算分析，得出以下结论：

(1)上方尤其是正上方加载对隧道结构影响明显，加载超过0.5 m深土方量，隧道即会产生明显沉降；沉降总量受加载量影响最大，与隧道埋深、赋存土层性质有较明显相关性；加载引起的隧道沉降变形期较长，一般大于半年；

(2)使用EPS材料换填施工，保证即不加载也不卸载是够保证地铁隧道的安全的理想状态；此外，适量卸载使得地铁车站和隧道结构上抬，可作为治理地铁沉降的有效措施；

(3)通过数值模拟计算得到的隧道变形规律与现场实测数据变化趋势大致相同，表明数值模拟采用的计算模型是有效可行的，对类似工程具有一定的借鉴价值.

信息启示

我校与浙江省浙东引水管理局签署战略合作协议

4月25日，省浙东引水管理局与浙水院战略合作签约仪式在教学科研综合楼A412举行.叶舟校长，浙东引水管理局局长、党委书记陈韻俊代表双方签订了战略合作协议.省水利厅党组成员、副厅长杨炯出席会议并讲话.

叶舟校长致欢迎词，他说从高就业率、高考研率，到河长学院、院士工作站、水文化研究所、水情教育基地的建立，再到“千人万项”蹲点指导服务工作的积极参与，皆表明学校升本五年以来在人才培养、科技研发、社会服务、文化传承方面取得了一定成绩.叶校长认为，学校发展离不开水利厅领导和兄弟单位的大力支持，学校将以此次战略合作为新起点，遵循“密切合作、资源共享、优势互补、互利共赢、共同发展”的原则，力争取得更好的成绩.

陈韻俊局长对校党委副书记沈建华牵头进行交流接洽并最终促成双方合作表示感谢，他介绍了浙东引水管理局的基本情况，期望双方成为长期战略合作伙伴，以学校的专家人才弥补其技术力量的欠缺.

浙东引水管理局副局长唐毅对“浙东引水调度研究的相关情况”进行汇报，校方代表阐述了“浙东引水沿线水系及流向调查”课题设计，校科技处负责人对双方战略合作协议内容进行说明.

杨炯副厅长肯定了学校的努力和成绩，他指出学校在学生培养方面倾注了很多心血，更为全省水利事业发展做出了巨大贡献.杨副厅长对浙东引水工程十分关心，他认为双方战略合作的意义在于，学校科技人才与智囊团的加入为浙东引水工程发挥其独特的工程效益提供有力技术支撑，势必在优化引水调度、提升引水水质、水生态保护等方面做出更大成绩.双方的合作正是践行习近平总书记十九大思想，建设”美丽河湖”、“美丽乡村“、“美丽浙江”.杨副厅长期望双方能定期交流，互通信息；定好目标，合理选题；经费到位，把合作落到实处.

会议由副校长姜翰照主持.省水利厅人事处、科标处相关领导，省浙东引水管理局相关领导，校党委副书记沈建华，校科技处、社会合作处及相关学院、单位负责人参加了会议.

摘自浙江水利水电学院网