河道综合整治对邻近地铁的影响分析——以福州1号线胪雷站为例

苏江川

(福建省建筑工程技术中心 福建福州 350004)

0 引言

随着各大城市地铁运营里程的不断增加，以及城市地下空间建设的不断发展，各类新建工程与运营地铁近接施工的工程问题越来越常见，并成为影响地铁运营安全的一个重要因素。

胡海英[1]等以广州某邻近既有地铁隧道的深基坑开挖为例，通过数值模拟和隧道实测，探讨基坑开挖深度及相对位置对既有地铁的影响。陈锦剑[2]等结合上海地区某工程案例，采用数值方法分析两侧深基坑开挖对穿越其间的浅埋运营隧道的影响，并评估了控制隧道位移的各种施工措施的有效性。还有其他学者[3-5]通过数值方法及实测数据，分析了基坑开挖对邻近地铁隧道的影响。

虞春龙[6]等以上海时北横通道明挖过河段基坑为例，分析了围堰施工、基坑开挖全过程对邻近地铁隧道及桥梁基础的影响，并提供合理的设计方案。宋顺龙[7]等以宁波某隧道上方开挖河道为例，通过有限元软件模拟了不同保护措施下隧道的变形，并与监测数据进行对比验证。杨玉杰[8]等以九乡河道拓浚改造对邻近南京某地铁区间隧道为例，对隧道加固保护措施的方案研究。

以上这些研究，多利用数据分析手段确定新建工程施工对地铁产生的影响，但对地铁在运营期间已产生变形数据的调查和应用较少。为了确保地铁运营安全，对地铁在运营过程中产生的隆起或沉降变形进行长期监测是十分必要的。马振海[9]、李玉杰[10]等简要论述了地铁运营期间监测的重要性，并提出有关合理监测的建议。王昭斌[11]等利用地铁运营期间的变形监测数据，建立了变形预测模型与安全评估模型。

本研究以福州市仓山区胪雷河(中央大道段)综合整治工程为例，根据运营期间的监测数据，获得已有变形值，并通过该数据确定近接施工的关键节点和变形控制标准。通过数值模拟该节点处的不同施工方案，研究不同施工方案下河道整治对邻近地铁的影响，并提出相应的施工建议。

1 工程概况

胪雷河(中央大道段)总长度约650m，河道总宽度约50m。福州地铁1号线胪雷站及两端盾构区间(三角埕站～胪雷站～福州火车南站区间)基本位于胪雷河(中央大道段)驳岸右岸，其平面位置关系如图1所示。三角埕站-胪雷站区间隧道覆土最大厚度15.0m，最小厚度9.3m；胪雷站-福州火车南站区间隧道覆土最大厚度9.1m，最小厚度7.3m。

该工程所在场地属冲、淤积平原地貌单元，地层由上至下主要有：①1杂填土、①3河底淤泥、②粉质粘土、③1淤泥、④粉质粘土、⑤1淤泥质粉质粘土、⑤1-J中砂夹粘土。场地地基均匀性较差，横向地层分布不均，工程性能差异较大，纵向地层较多，层面起伏较大。

图1 胪雷河(中央大道段)与地铁1号线平面位置关系

2 地铁结构变形及原因

收集福州地铁1号线三角埕站～胪雷站～福州火车南站区间运营期隧道沉降监测数据，并对数据进行分析，明确近接施工段落中既有地铁沉降量较大的区间，分析运营期沉降变形产生的原因，并确定近接施工中沉降变形的敏感节点。

2.1 地铁结构沉降监测成果

胪雷河(中央大道段)场地范围内地铁区间隧道结构变形如图2～图5所示。

图2 三角埕站～胪雷站上行线

图4 胪雷站～福州火车南站上行线

图5 胪雷站～福州火车南站站下行线

根据以上运营期隧道沉降监测成果显示，胪雷河场地范围内，隧道位于胪雷河河底三角埕站～胪雷站区间SK23+080～SK23+130、XK23+085～XK23+150范围(图1中A区域)的区间隧道发生了隆起变形，隆起位移为1mm～5mm；其余区间隧道均发生了沉降变形。1号线区间隧道沉降变形较大的区域主要有：三角埕站～胪雷站区间上行线SK23+160～SK23+250、下行线XK23+200～ XK23+250(图1中B区域)；胪雷站～福州火车南站站上行线SK23+820～SK23+860、下行线XK23+750～XK23+800(图1中C区域)。其中，沉降变形最大的区域位于三角埕～胪雷区间上行线，达34mm。

2.2 变形原因

根据地勘资料，胪雷河中央大道场地存在深厚软弱淤泥层，区间隧道基本位于③1淤泥层中。胪雷河两侧道路施工路基填方，使得下卧淤泥层产生超静孔隙水压力，随着时间推移，淤泥层排水固结，有效应力逐渐增大，产生较大的附加沉降，为福州地铁1号线胪雷站两端区间隧道产生较大沉降变形的主要原因。

而图1中的A区域由于位于河道下方，地铁隧道开挖卸荷后产生了隆起变形，且运营期未受道路超载的影响，因此存在1mm～5mm隆起变形量。

本次胪雷河综合整治工程总体以开挖卸荷为主，对图1中的节点A处区间隧道和节点D处出入口将造成隆起变形，而对其它近接区域的影响则以水平位移为主。因此，节点A区域的整治施工会进一步加剧既有地铁隧道的隆起变形，设计施工时变形控制标准应考虑已有变形量的影响。

3 近接工程节点A对地铁影响数值分析

本节以近接工程节点A处为例，进行三维有限元施工过程数值模拟，分析基坑开挖、驳岸土方回填过程地铁隧道受力变形行为，并比选出合适的加固方案。

如图6所示，该节点(三角埕站～胪雷站区间SK23+080～SK23+130、XK23+085～XK23+150)现状地面标高约6.5m，规划河底标高+2.5m。三角埕站～胪雷站区间隧道埋深约12m。

图6 关键节点剖面示意图

3.1 模型建立

采用有限元软件Midas GTS NX建立三维有限元模型如图7所示。按照隧道力学分析结果，模型尺寸取为：100×80×40m(X×Y×Z)。模型水平方向约束其水平位移，底部采用固定约束，约束其竖向及水平向位移。对抗浮板、隧道衬砌采用板单元模拟，抗拔桩、边梁采用梁单元模拟，用桩界面单元模拟与土体的相互作用。土体采用3D实体单元，采用修正摩尔-库伦硬化本构模型。

图7 三维有限元模型示意图(开挖至坑底工况)

3.2 计算参数

依据项目地质勘查报告及相关规范，确定土体修正摩尔-库伦硬化本构模型参数(表1～表2)。地铁盾构隧道衬砌混凝土强度等级C50，弹性模量E=34.5GPa，并对管片整体刚度的折减。管片结构弹性模量相对混凝土弹性模量折减0.8，即E=27.6Gpa，泊松比取0.2。

表1 土层模型及基本计算参数

表2 土层参考刚度参数及刚度应力相关幂指数

3.3 3种加固方案模拟

为了对比分析各加固方案的加固效果，分别采用3种方案进行建模分析。

方案A——无加固方案：基坑开挖前不对隧道周边土体进行加固，基坑整体开挖。

方案B——隧道周边采用搅拌桩门式加固方案：基坑开挖前，在隧道左右两侧3m～6m和顶部3m～6m采取搅拌桩门式加固措施，如图8所示。加固完成后，基坑整体开挖。

图8 方案B剖面示意图

方案C——隧道周边采用搅拌桩加固+抗浮板门式框架结合抽条开挖方案：在完成搅拌桩门式加固方案后，施工抗拔桩，基坑土方分区、分段、分层开挖。首先，开挖基坑中间10m核心区，开挖完成接着，浇筑该区域的抗浮板；接着对称开挖核心区两边各5m范围的土方，开挖完成接着浇筑该区域的抗浮板。方案剖面图和平面图分别如图9～图10所示。

图10 方案C基坑土方开挖步序示意图

3.4 结果分析

计算结果如表3所示。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)及相关工程经验、其他城市相关规定，在不采取加固措施的情况下，加之基坑开挖前所产生的隆起变形1mm～5mm，该段隧道隆起变形累计值将超过20mm，不满足要求。

表3 三种加固方案数值模拟结果

方案B隧道周边采用搅拌桩门式加固措施，坑底隆起较无加固方案减少57.2%，最大上浮变形较无加固方案减少26.7%，可以有效减少基坑隆起变形和隧道上浮变形，对控制基坑下方隧道变形有利。

方案C隧道周边采用搅拌桩加固+抗浮板门式框架结合抽条开挖，隧道上浮变形较无加固情况减少41%，较方案B减少了19.5%。可见该方案更有利于控制基坑下方隧道变形。

经过综合比选，最终推荐隧道周边采用搅拌桩加固+抗浮板门式框架结合抽条开挖方案。工程采用此方案实施后，变形控制效果较好，结合隧道现有的隆起变形情况，基坑开挖后，隧道变形能满足要求。

4 结论

综上，本文根据胪雷河综合整治工程的驳岸加固设计方案、运营期间区间隧道沉降监测资料等研究依据资料，并查阅相关规范和类似工程，以其中一处隆起变形关键节点为例，针对3种可能的施工方案，分别进行三维有限元数值施工全过程模拟，得出以下结论及建议：

(1)通过对地铁运营期间的变形监测，不仅可以实时了解地铁运营情况，及时消除安全隐患，还可以为邻近工程的施工提供已有变形值，掌握变形产生原因，便于提出相应的整治方案。

(2)根据数值模拟分析的结果可知，基坑采取土体加固后结合分区、分段、分层开挖并及时施工抗浮板，可以最大程度地减少河道开挖对地铁结构的影响。在工程施工中，应确保土体加固能满足设计要求，且应避免大开大挖，采取分区、分段、分层开挖并及时施工抗浮板。

(3)鉴于驳岸边坡回填后隧道变形结果，基坑开挖后进行适当的堆载有利于隧道变形的控制。建议基坑开挖过程中，若出现隧道累计上浮变形超过报警限值情况，及时停工并采取坑底回填堆载等安全措施，以使隧道累计变形值回复到安全范围内，确保隧道安全。

(4)数值分析只是参照手段，实际工程中由于情况复杂，变量因素多，因此应重视施工措施及施工质量、尽量减少基坑暴露时间，快挖快撑；建议加强工程影响范围内的盾构隧道的纵向整体刚度，并对其全天候密切监测，确保工程安全。