上跨隧道对既有地铁结构的影响研究

高曼莉

(安徽林业职业技术学院，安徽 合肥 230001)

随着合肥市第3轮轨道交通规划的许可与开工，形成了四线运营、十线在建的局面，届时轨道交通运营与在建线路达355 km。线网的增加，乘坐市民的增多，致使地铁安全保护的工作越来越重要。2020 年2 月开始施行的《合肥市城市轨道交通条例》规定地铁车站及隧道结构外边线50 m为安全保护区，在保护区内进行施工作业应当按照有关规定制定保护方案，确保地铁运营安全。

本文以合肥市天鹅湖隧道上跨既有地铁工程为例，通过动态监测与数值模拟计算进行对比分析，研究下穿湖体隧道施工对附近地铁隧道的影响规律，并提出相应的保护措施，保障地铁安全运营。

1 隧道位置

下穿天鹅湖隧道工程位于合肥市某核心区，全长0.92 km，起自南二环，自桐文路交口降坡，在距离祁门路80 m处接地，终于祁门路，其中暗埋段隧道长度447 m，U槽长度228 m。该公路隧道为双向6 车道的3跨矩形钢筋混凝土箱型框架结构，形式为敞口段U型槽和双跨单层箱型。

天鹅湖隧道距地铁3 号线某车站主体距离约20.8m，距车站出入口约16.4m；距离车站风亭约17.4m；工程上跨3 号线地铁区间隧道，开挖基坑底至地铁隧道顶竖向净距6.36m，基坑围护桩底至地铁隧道顶竖向净距约2m，均进入地铁保护区，对地铁隧道影响较强烈，平面位置关系如图1所示。

图1 隧道与地铁之间的平面关系

湖体周边土质情况较复杂，地勘报告显示主要由填土、素填土、粉质黏土、泥质砂岩组成，由于湖体的长期浸泡，土体抗剪强度变小，压缩模量变大，工程产生的大量土方卸载极不利于地铁隧道的稳定，故工程实施前对地铁隧道变形进行模拟分析，实施过程中采取动态变形监测。

2 数值模拟分析

2.1 优化施工方案

根据其它地方类似工程经验，预先提出采用隔离桩与压底板形成门式框架结构的保护方案，门式框架结构用以抵抗卸载后地基回弹力、隔离施工期间两侧土压力，如图3所示，同时改善施工步序，采用分区域、分层开挖的模式，开挖顺序如图4所示，减少对地铁隧道的扰动，防止变形过大。

图3 施工剖面图

图4 基坑开挖顺序

2.2 三维有限元模拟计算

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》要求，提出变形控制指标，如表1所列，竖向变形不超过15mm，水平不超过10mm，故施工前，根据设计方案采用MIDAS/GTS建立三维计算模型，代入经反演的地质参数如表2所列，预演地铁隧道变形趋势，依施工顺序逐步演算，模型长140m，宽93.3m，高38m，地铁隧道长度93.3m，模型单元个数约144320个。

表1 变形控制指标

表2 地质反演参数表

土本构模型采用修正Mohr-Coulomb模型,混凝土结构及钢支撑等采用各项同性弹性模型。天鹅湖隧道结构采用三维6面体单元进行模拟,地铁隧道管片采用二维板弹性单元进行模拟,钻孔灌注桩、钢支撑等采用一维梁单元进行模拟。模型采用固定边界条件，顶面为地面不限制位移，4个侧面限制水平位移，底面限制竖向位移。模拟结果显示，施工过程中最大竖向变形为上浮9.35mm，最大水平位移为南移2.48mm，均在控制指标范围内，优化后的方案安全可行。

3 实时动态监测

为控制过大变形，施工全过程对地铁隧道的进行实时动态监测。根据三维模拟计算的结果进行监测断面布设，模拟变形较大的区间加密监测断面。监测项目包括拱顶沉降、地铁隧道底隆起、水平收敛、水平位移、结构裂缝等。

工程南侧基坑开挖时，地铁隧道并未像三维模拟结果一样引起上浮，反而出现沉降。随着开挖的继续，各断面沉降幅度逐渐减小并开始出现隆起趋势，由监测数据得最大竖向变形为沉降1.61mm，最大水平位移均小于1mm，最大收敛为0.74mm。经分析原因为地铁隧道施工完不久，沉降并未稳定，变形中沉降仍占主导地位。

正上方的基坑开挖，地铁隧道监测结果：竖向最大变形为上浮3.72mm，出现在基坑下方的 6-10 号监测断面；水平位移的最大变形为南移2.13mm，出现在1-7 号监测断面，由于南部基坑已完成卸载导致地铁隧道的水平位移最大值均为向南偏移，与模拟结果基本相似。同时后半段开挖过程，存在超挖、开挖较快及钢支撑架设不够及时等现象，加之土体变形的时空效应，致使地铁隧道变形速率较快，后及时发现纠正，将变形控制在安全范围内。

北侧基坑施工，发生过一次较大变形的情况，最大变化量为 0.63mm，变化速率为 0.09mm/d，结合现场工况分析，发现基坑两天完成开挖，施工速度过快导致。基坑稳定后，地铁隧道在7 号监测断面出现了最大上浮变形，累计变形值为 4.36mm，最大水平位移出现在2 号监测断面，总体向北偏移，但累计变形依然为向南 1.07mm，经岩土力学分析，北侧土体离湖较远，比南侧土体更稳定，故最终表现出向南变形较大。

4 结论

工程竣工后3个月，地铁隧道的沉降最大累计变形为上浮4.63mm，水平位移最大累计变形为南移1.71mm，总体变形趋势与前期模拟计算基本符合，均未发生超值预警，可见三维模型计算准确，地质参数反演合理，能够作为类似施工典型经验。结合工程实际，得出相关建议如下：①为确保模拟计算准确性，地质参数需进行反演，天鹅湖区域类似工程模拟计算参数可参考文中反演结果，取泊松比0.25-0.3，回弹模量72-178 MPa，内摩擦角13-32°，粘聚力45-300 kPa；②施工前借助三维模拟计算，能够检验方案可行性，优化施工和监测方案；③建立地铁隧道动态监测与外部项目施工的联动机制，随时根据变形数据改进施工工艺，能够有效遏制异常变形；④地铁隧道的最大变形位于基坑正下方，故上方扰动对地铁影响较为显著；同时分块分层卸土，禁止超挖快挖，利用底板与围护桩形成门式框架结构，能有效控制地铁隧道上方大面积卸载而引起的变形。