河道拓宽工程对下方运营地铁隧道保护措施研究

张 杰 ，沈晓伟，宋 磊，韦扣均

(1. 华设设计集团股份有限公司， 南京 210014； 2. 南京地铁集团有限公司， 南京 210008)

随着地铁线路密度越来越大、范围越来越广，河道整治等水利工程不可避免地会与之临近或平面交叉。轨道交通工程对沉降变形控制要求较高，如变形过大，可能导致隧道结构和行车安全存在隐患，这就对外部作业工程提出了高标准的保护要求[1-3]。河道综合整治包含河道拓宽、围堰截流、河底加固等项目，如何正确评价和确定以上作业对地铁隧道的影响直接关系到相关设计措施和施作方式[4-7]，因此十分关键。

本文以南京地铁3号线区间隧道上方中心河整治拓宽工程为例，将其设计方案进行优化调整，并通过MADIS分析包含河道截流、拓宽改造等内容的全过程工况，总结得出控制拓宽断面、预留核心土等措施可有效控制地铁隧道变形的结论，并结合现场实测数据进行验证，可供类似工程参考。

1 工程概况

中心河整治拓宽工程与南京地铁3号线盾构区间平面交叉，该段隧道采用外径6.2 m、内径5.5 m、壁厚0.35 m、环宽1.2 m的盾构管片；交叉段河道整治挖深约为2.7～3.0 m，改造后河道采用雷诺护垫护坡，河床采用框格梁格埂护底；河道改造完成面底与地铁隧道结构洞顶最小净距约为13.8 m。河道拓宽改造期间地铁正常运营，地铁隧道和箱涵的平面和剖面位置关系如图1所示。

图1 地铁隧道和箱涵的平面和剖面位置关系

根据地质勘察资料，河道拓宽整治与地铁隧道交叉段地层由上至下依次为1-1填土层、2-2bc4淤泥质粉质黏土夹粉土层、2-2c2-3粉土层、2-3dc2-3粉砂夹粉土层、2-4d2-3粉细砂层、2-5d1粉细砂层，其中河道、地铁隧道分别位于2-2bc4淤泥质粉质黏土夹粉土层、2-4d2-3粉细砂层，各土层的物理力学参数如表1所示。

表1 各土层的物理力学参数

2 设计方案调整优化

河道整治开挖减轻了地铁隧道的上部荷载，打破了原有的荷载平衡。河道开挖取土会使部分隧道结构产生竖向位移，引起整个隧道的内力变化、不均匀沉降与隆起。因此，本文主要对设计方案中的河道拓宽断面、开挖方式、后期河床稳定等方面进行优化。

2.1 开挖断面优化

将隧道上方河道断面护坡由二级护坡改为一级护坡，且坡比调整为1:2，减少了河道开挖面积，开挖断面面积由原来的58 m2减少为33.1 m2；通过对开挖断面的优化，降低对地铁隧道的影响。河道拓宽断面图如图2所示。

修改前

修改后图2 河道拓宽断面图(单位：m)

2.2 河底加固优化

河道整治完成后，如不针对河床采取措施，易造成河底土体随河流冲刷不断减少，隧道上方土体也会随之减少，最终威胁地铁隧道安全。为保证后期河床土体的稳定性，在河床底部增设了400×400框格梁格埂，河床格埂布置如图3所示。

2.3 开挖方式优化

为降低工程对地铁的影响，地铁隧道两侧15 m范围内采用跳仓法分段施工(即先施工非填充区域土方，后施工填充区域土方)，每次施工宽度为10 m，中间预留核心土，减少开挖面积，以减缓盾构隧道的变形。隧道上方核心土预留布置如图4所示。

图4 隧道上方核心土预留布置

3 MADIS数值影响分析

3.1 计算模型和计算参数

利用MIDAS进行三维数值模拟，分析河道拓宽整治工程对既有地铁隧道的影响。模型尺寸为120 m(长)×120 m(宽)×40 m(深)，三维模型如图5所示。

整体模型

河道与隧道模型图5 三维模型

河道开挖采用单元钝化的方式进行模拟，机械荷载等效为均布荷载，施加于基坑外侧。

3.2 计算结果

为保证三维模拟与实际工况相一致，共分三次开挖模拟，第一次、第二次分别开挖隧道两侧和上方非核心土部位，第三次开挖预留核心土。

地表竖向位移云图如图6所示，各工况隧道变形值如表2所示。

图6 地表竖向位移云图

从图6和表2中可知，基坑开挖结束后坑底存在隆起现象，隆起最大值约为10.79 mm(位于模型边界处，离隧道较远)；右线隧道上方坑底地层隆起约8.34 mm，左线隧道上方坑底地层隆起约9.23 mm。因河道坑底位于淤泥质地层内，开挖地层为素填土层和淤泥质地层，地层抵抗变形能力差，坑基开挖卸载后地应力释放，下部地层反弹引起基坑底部隆起。

表2 各工况隧道变形值 (单位：mm)

区间隧道水平位移云图如图7所示。从图7可知，河道整治开挖后，地铁盾构隧道在水平方向受到的影响较小，开挖完成后最大水平位移为0.87 mm。

图7 区间隧道水平位移云图

区间隧道竖向位移云图如图8所示。从图8可知，开挖完成后右线位移3.22 mm(上浮)、左线位移3.86 mm(上浮)，隧道径向收敛值右线0.40 mm(径向收缩)、左线0.79 mm(径向收缩)。隧道最大竖向位移出现在河道开挖基坑中部对应的拱顶处，管片收敛最大值位于竖向位移对应的隧道断面上。

图8 区间隧道竖向位移云图

综合三维模拟，整个河道拓宽整治施工过程中，隧道最大上浮值为3.86 mm，结合表2中的具体各工况对应隧道变形值可知，其变形值满足相关规范要求(小于10 mm)。

4 隧道变形监测

4.1 监测点布置和现场实施

河道拓宽整治期间，地铁隧道采用人工监测与自动化监测结合的方法，对区间隧道沉降、水平直径收敛、静态几何变形等参数进行了长期监测，监测范围为项目正投影段地铁上、下行线隧道及两端各外扩10 m区域，监测布置如图9所示，按黄色、橙色、红色三级预警进行管理和控制，针对有可能引起盾构隧道突发事故的情况制定抢险应急预案。

图9 监测布置

为确保地铁隧道安全，需督促现场落实相关保护措施，实时跟进施工过程。预留核心土跳仓施工如图10所示；河床格埂作业如图11所示。

图10 预留核心土跳仓施工

图11 河床格埂作业

4.2 监测结果

左线区间隧道竖向位移如图12所示，右线区间隧道竖向位移如图13所示。左线阶段沉降量为-0.6～2.5 mm，沉降速率最大值为0.025 mm/d；右线阶段沉降量为0.6～2.9 mm，沉降速率最大值为0.029 mm/d。

图12 左线区间隧道竖向位移

图13 右线区间隧道竖向位移

由于河道处于隧道结构正上方，在河道施工期间，河道内土方开挖导致隧道结构正上方荷载减少，左右线道床均发生了小幅上抬，监测区段的中部上抬量明显高于两侧，呈现抛物线型。根据河道与地铁隧道的平面位置可知，河道中部的土方开挖对地铁隧道的影响明显大于河道两侧。同时，监测数据与数值模拟分析值(3.22 mm，3.82 mm)较好吻合，说明上述模拟分析能较真实地反映工程实际情况。

据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)[8]，河道拓宽整治施工过程对下方地铁隧道产生的影响能满足变形要求。

5 结论

河道拓宽改造期间，地铁隧道最大沉降值为2.9 mm，对地铁隧道变形的影响可控，说明本项目采取的一系列措施能有效控制地铁变形，对类似工程有很好的参考价值。对本项目采取措施的总结及对类似工程的建议如下。

(1) 河道整治施工应在地铁隧道两侧采用跳仓法进行分段施工，控制施工宽度并预留核心土，以减缓盾构隧道的变形。

(2) 河道中部的土方开挖对地铁隧道的影响明显大于河道两侧，在有条件的情况下，应尽量增加中部分区，减少每次开挖的规模，削弱基坑空间效应。

(3) 为确保后期河床稳固，在隧道上方河床范围内应采用框格梁格埂稳固河底。