路基填土对滨海软土地层盾构隧道的影响及防控

刘胜利 肖中林

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010; 2.中交海峡建设投资发展有限公司，福建 福州 350015)

0 引言

随着我国各大中城市城区范围的不断扩大，外围副中心、卫星城概念不断提升，为加强其与城市中心区的快速联系，城市轨道交通快线建设逐渐成为了城市发展规划中的重要部分。因此，作为一种快速高效的交通手段，城市轨道交通又掀起了新一轮的建设高潮。目前，北京、广州、深圳等在轨网规划中都有快线系统布局，越来越多的城市也开始重视快线的建设，而且对轨道交通的出行时空目标也提出了更高要求。盾构隧道具有技术成熟、施工速度快、自动化程度高以及对环境扰动小等特点，被普遍用于城市地下轨道交通的修建[1]。福州滨海快线线路总长62.2 km，采用盾构法修建，设计时速140 km/h，起于莲花站，终于大数据站，沿途工程环境复杂，与规划福海路线路重叠长度约3.9 km，下穿6处规划河道、5座桥涵，另有1.6 km下穿规划中央公园路，场地现状主要为基本农田、池塘、道路及民房。

区段涉及多处土方填挖，其中，规划福海路路面标高为6.26 m～9.18 m，现状地面标高为0.34 m～9.36 m，规划路面大部分区域比现状地面高1.5 m～4.4 m。规划与现状标高相差较大，根据既有经验，地铁隧道建成后在上方进行大规模的填挖作业，会造成隧道变形，引起质量事故，已有多次相关工程案例报导。如林永国等[2]给出了上海打浦路越江隧道某一区段因地面堆载而出现较大沉降的监测资料，资料显示自20世纪70年代初～80年代后期，隧道上方一共经历了四次堆载施工，总的堆载大小达到70 kPa；经过四次加载，隧道总的变形已高达110 mm，存在极大的安全隐患。王旭[3]报道了珠江三角洲地区某盾构隧道上方出现大面积堆土案例，堆土高3 m～4 m，后续处理过程中，虽已及时清运地面堆土，但左、右线隧道仍分别出现22.8 mm,16.2 mm的竖向沉降；根据后续的持续观测，地面卸载后，左线隧道出现5.6 mm回弹，而右线隧道回弹量为6.4 mm；由于处理及时、得当，堆土区域隧道并未出现破损。当前，针对该问题的研究主要采用理论分析、数值计算、模型试验及现场测试等手段进行。如魏纲等[4]依据研究成果,将地面堆载对临近隧道影响的研究方法归纳为:现场实测法、理论分析法、数值模拟法和模型试验法。对发展概况及研究进展进行综述,提出需进一步研究的课题和研究思路；文献[5]基于理论研究构建了盾构隧道—围岩相互作用解析计算模型，可用于快速计算邻近施工扰动对既有隧道结构变形及内力的影响；施成华等[6-8]则采用数值分析模拟既有隧道受施工扰动的过程，并探讨了不同土体加固方式对控制既有隧道变形的效果。本文以福州滨海快线工程为背景，基于数值分析手段探讨后期地表土方填筑对下卧盾构隧道的影响，并分析采用桩板结构控制既有线变形的效能，可为类似工程案例提供参考。

1 工程概况

福州滨海快线出莲花山站向东南行进，经滨海西站后沿规划福海路下接大数据站，其中4.3 km位于规划福海路下，如图1所示。主体隧道采用盾构法施工，盾构掘进方向为大数据站往滨海西站。区间隧道覆土埋深约8.84 m～27.17 m，主要穿越地层为淤泥质土②-4-1，(含泥)粉细砂②-4-5、残积砂质黏性土⑤-2、全风化花岗岩⑥-1、(含砂)粉质黏土③-1-2、粉质黏土③-1-1、碎块状强风化花岗岩⑦-2、中风化花岗岩⑧-1、(含泥)粗中砂③-3、(泥质)粉细砂③-2、粉质黏土②-4-2、粉细砂②-2-1。区段涉及到的土层相关力学性质如表1所示。

在地铁隧道建成后，后期规划路面大部分区域比现状地面高1.5 m～4.4 m，需要分析后期土方堆载对既有隧道结构的影响以及提出相应的处置措施。

2 土方填筑引起下卧隧道变形

选取典型断面进行计算分析，模型示意图如图2所示。隧道直径8.3 m，两隧道之间净距7.0 m，拱顶埋深16.5 m。地层条件由下而上分别为粉质黏土、粉砂(泥质)、淤泥质土、粉细砂(含泥)、粉细砂及杂填土，隧道主要处于淤泥质土和粉细砂地层中。地表填土厚度分别按回填1 m,2 m,3 m,4 m和5 m路基5个工况进行计算。

表1 土层相关力学参数

隧道管片混凝土等级为C55，弹性模量为35.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。计算中，先进行初始地应力平衡，而后进行地铁盾构开挖以及支护结构的施作，再进行地表路基填筑的模拟。图3为不同填筑厚度下隧道结构的位移云图。不同工况计算得到的最大沉降如图4所示。

由图可知，地表土方填筑会引起下卧盾构隧道产生不同程度的沉降，拱顶沉降大于拱底的。隧道结构最大位移随着填土厚度的增加线性增加。不同填土厚度下引起的最大沉降分别为-17.844 mm，-44.896 mm，-73.036 mm，-99.600 mm及-124.526 mm。根据规范[9]要求及以往工程经验，邻近施工扰动引起既有隧道结构的最大变形的预警值为10 mm，控制值为20 mm。由此可见，5种填土厚度导致的结构变形均已超出预警值，仅在回填厚度为1 m时结构变形尚处于控制值之内，给工程顺利施工带来严峻考验。

为此，针对该工程案例，需提供相应的处置措施以控制既有隧道的过量变形，减轻地表路基填筑带来的不利影响。

3 桩板结构控制效果分析

针对该问题，在参考国内外相关工程经验的基础上，考虑采用桩板组合结构分担上覆土压力，从而减轻作用于下卧隧道的荷载，以达到控制隧道变形的目的。整体模型示意图如图5所示。

模型中，在2条平行隧道之间设置3排桩基础，每排6根，桩基直径1.5 m。桩顶设置梁板结构承受部分上覆土压力的作用，纵梁截面尺寸为2.0 m×1.5 m，板厚0.6 m。桩板结构为钢筋混凝土结构，混凝土等级C35，计算中弹性模量取为31.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。计算过程中先完成初始地应力平衡，而后完成既有地铁隧道结构施工，再完成桩板体系施工，最后进行地表不同厚度填土影响分析。

图6，图7分别为不同填筑厚度引起地下结构的竖向位移云图及隧道最大位移与填土厚度的关系曲线。由图可知，地下结构的变形随着地表填土厚度的增加而增加，未进行土方填筑时，在原位应力场作用下导致隧道结构最大位移仅为-3.570 mm，填筑厚度为1 m～5 m时引起的最大变形分别为-6.996 mm，-10.766 mm，-14.254 mm，-17.311 mm及-17.311 mm。相较于未施作桩板结构的情况(见图4)，可以看出在桩板结构的保护下，地表填土对既有隧道的影响较为有限，且最终趋于稳定值，引起的隧道位移均未超出控制值，控制效果良好。

表2～表4为不同回填厚度下板、梁、桩结构最大内力计算结果。由表可知，随着填土厚度的增加，板桩体系的内力亦增加，但当填土厚度超过4 m时，结构的内力趋于稳定值。板结构的轴力较小而承受的弯矩和剪力较大，最大轴力、弯矩和剪力分别为210 kN，1 279 kN·m，1 116 kN；梁结构主要承受弯矩和剪力，Z方向的弯矩值显著，而剪力主要沿Y方向，最大轴力、弯矩和剪力分别为772 kN，5 171 kN·m，19 066 kN；桩结构承受较大的Z方向的轴力，同时弯矩值和剪力值亦具有较高水平，最大轴力、弯矩和剪力分别为28 204 kN，1 346 kN·m，2 693 kN。在设计时，板、梁、桩应按最大内力进行设计。该部分的研究成果可为桩板体系的合理设计提供基础。

表2 板结构内力计算结果

表3 梁结构内力计算结果

表4 桩结构内力计算结果

4 结论

文章结合福州滨海快线莲花山站—大数据站工程实际，基于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》控制标准，采用数值模拟研究地表后期规划路基填筑对下卧深厚软土地层盾构隧道的影响，阐述了其在上方路基填筑下的变形规律，并进一步对超过控制标准的常规方案进行优化和分析，得出以下主要结论：

1)因地铁盾构隧道洞身软土地层长期固结沉降，对深厚软土地层盾构隧道上方规划路基填筑影响规律进行分析，发现未采取措施则填筑过厚会导致隧道沉降超过地铁保护控制值，因此有必要采取保护措施。2)针对地铁保护需求及周边开发需要，提出了上方桩板体系保护方案，经过比选其最不利工况，即在最大填筑厚度5 m作用下，隧道最大位移为-17.311 mm，仍处于控制值以内，可见桩板结构能有效承担来自地表堆土的超载作用，防控效果显著，满足规范要求。3)滨海地段有必要提前考虑规划道路填土堆载影响，软土地段提前采取真空预压或地面加固等方案，降低后期对地铁结构的不利影响。4)本文提出的加固方案可供类似地层的地铁隧道上方路基处理工程参考。