旁侧堆土卸载对既有轨道交通结构的影响分析

潘学凯，耿宁宁

（1.安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.合肥市轨道交通集团有限公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

在城市建设中，经常遇到城市轨道交通旁侧或上侧地块堆土卸载。土体卸荷必然引起周围地层移动，导致位移场和应力场的变化，对城市轨道交通结构有着显著影响，因此掌握卸载过程中既有轨道交通结构变形及内力变化对轨道交通保护是至关重要的。

本文结合合肥轨道交通4号线旁侧地块堆土卸载工程，利用有限元分析和现场监测资料相结合的方法，构建堆土卸载施工和轨道交通结构的数值模型。基于该数值模型，研究旁侧堆土卸载对既有轨道交通结构的影响分析，并结合监测数据论证计算结果。

1 工程背景

1.1 工程概述

拟建场地内位于既有轨道交通区间结构北侧，存有大量堆土，均为杂填土。堆土最高约10m，体积约5.9万方，距离既有轨道交通结构最小净距为4.5m。拟建场地内堆土与既有轨道交通区间空间位置关系如图1。

图1 拟建场地堆土与区间隧道位置关系图

1.2 地质概况

根据拟建项目详勘报告及轨道交通详勘报告，拟建场地第四纪地貌型态属二级阶地地貌单元，场地大部地段为附近工地堆土，最高堆土10m左右，高差较大。勘察期间勘探深度范围内揭露场地内地下水类型主要为上层滞水，主要含水层为①层素填土，主要受大气降水和地表水渗入补给；场地内土层主要有①层填土、②层黏土、③层粉质黏土、④层强风化泥质砂岩、⑤层中风化泥质砂岩。其土层物理学参数如表1所示。

土层物理学参数 表1

1.3 卸荷方案

堆土卸载施工时，采用分层分块开挖，根据场地条件由东往西顺序开挖，每块开挖宽度不大于20m，分层开挖厚度不大于4m，以减小区间上浮变化速率过快的风险。

2 既有轨道交通区间结构现状调查

既有区间采用盾构法施工，区间结构直径6m，线间距16m，区间埋深约15.5m～18.2m。根据现状调查资料，该段盾构区间内管片拼装良好，无裂缝及渗漏水情况发生。盾构管片出厂检测报告显示，该段区间左线与右线盾构管片检测合格，满足设计要求，该段区间隧道施工监测数据整体稳定，处于安全可控范围内。

3 堆土卸载施工的三维数值计算模拟与分析

3.1 有限三维数值模型

为了较准确地反映基坑施工对轨道交通结构产生的附加变形影响，充分考虑时空因素，计算分析采用了三维有限元分析方法，考虑土体的非线性因素，模拟堆土卸载与既有轨道交通结构间的相互影响。根据圣维南原理，模型在纵向和横向应取堆土高度的2～3倍。计算时的边界条件为：x轴方向采用x向约束，y轴方向采用y向约束，底部采用竖向约束，上表面为自由面，有限元模型如图2。

图2 有限元模型

3.2 计算工况

根据施工先后次序，计算中应包括如下计算工况：

①工况1：初始地应力平衡，位移清零；

②工况2：施作轨道交通结构，位移清零；

③工况3～工况6：分段开挖第一层堆土；

④工况7～工况10：分段开挖第二层堆土；

⑤工况11～工况14：分段开挖第三层堆土。

3.3 计算结果

对三维数值模拟计算结果进行分析，旁侧堆土卸载施工对既有轨道交通区间结构位移具有显著影响。堆土卸载完成后，累计竖向位移达到最大值，相关计算结果如图3所示。

图3 区间隧道位移（工况14）

由数值模拟结果知，受旁侧堆土卸载的影响，临近区间隧道结构局部会发生水平及竖向位移。其中区间隧道最大水平位移约3.11mm，最大隆起量约3.29mm，隧道变形的最小曲率半径为5.1×10。满足轨道交通保护的相关要求。

4 现场监测数据分析

旁侧堆土卸载过程中，既有轨道交通结构变形量如表2所示。

堆土卸载完成后轨道交通结构监测数据 表2

结果显示，数值模拟得到的理论值与实测数据相比较大。这是因为地层结构复杂，尤其是地层结构多变使得地层参数的选择出现一定的偏差，引起与实测结果的偏差。因此，实际工程中，可以参考理论计算值，但一定要注重现场实际监测，根据实际监测数据指导现场施工。

5 结语

①在充分考虑堆土卸载方案、隧道初始应力与地层力学参数的基础上，应用Midas GTS对旁侧堆土卸载施工影响既有轨道交通结构进行数值模拟，所得结果与实测结果有一定差异，因此，现场须注重实际监测值，保证轨道交通结构的安全。

②利用Midas/GTS有限元软件进行三维模拟计算，所得理论结果与现场实际监测值趋势相同，实际工程中，可利用数值模拟结果指导现场施工。

③根据三维数值模拟计算结果，堆土卸载施工时，采用分块分层开挖，严格控制每块开挖宽度、开挖深度，以减小区间上浮变化速率过快的风险。

综上所示，针对旁侧堆土卸载对既有轨道交通结构的影响，可以通过建立三维有限元模型进行分析，通过对位移与内力的计算分析，指导现场施工，以确保旁侧堆土卸载施工的影响满足轨道交通结构的保护要求。