西安地鐵2號線下穿南門護城河段地表沉降分析

侯超群, 康 佐, 侯曉亮, 譚曉慧

(1.合肥工業(yè)大學 交通運輸工程學院,安徽 合肥 230009;2.西安市地下鐵道有限責任公司,陜西 西安 710018;3.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

西安地鐵2號線下穿南門護城河段地表沉降分析

侯超群1, 康 佐2, 侯曉亮3, 譚曉慧3

(1.合肥工業(yè)大學 交通運輸工程學院,安徽 合肥 230009;2.西安市地下鐵道有限責任公司,陜西 西安 710018;3.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

為防止地鐵施工造成西安市護城河的損壞,保證護城河的安全,依據(jù)相關(guān)標準和已有資料確定護城河地表沉降控制標準。文章結(jié)合施工工藝、場地工程地質(zhì)條件和既有工程的數(shù)據(jù)資料,采用數(shù)值仿真方法建立三維模型對西安市地鐵2號線穿越南護城河段的地表沉降進行分析計算,結(jié)果表明:盾構(gòu)法施工造成地表最大沉降在11.2～13.5 mm之間,滿足護城河沉降控制的要求?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果有很好的一致性。

地鐵施工;西安護城河;地表沉降;仿真分析

目前,我國許多城市面臨著較為嚴重的交通壓力,市民的出行極不方便。發(fā)達國家城市交通經(jīng)驗表明,地下鐵道(地鐵)是解決城市交通擁擠、保障市民快速出行的有效途徑[1]。目前,我國的地鐵建設已步入快速發(fā)展階段,北京、天津、上海、廣州、深圳、南京等大城市已建成了系統(tǒng)的城市地鐵系統(tǒng),西安、成都、武漢、無錫等城市也正在或?qū)⒁藿ǖ罔F。

地鐵施工引起地層缺失、地基應力釋放以及孔壓變化,在地表出現(xiàn)凹槽形沉陷變形[2]。實踐表明,地基沉降和地表沉陷等變形問題是城市地鐵建設不可回避的問題,因此施工過程中加強地表沉降變形監(jiān)測,并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工工藝和進度是保障施工安全、保護既有建筑物安全的有效手段[3-5]。

西安市城市快速軌道交通2號線,北起西安鐵路北客站,南至長安區(qū),正線全長26.45 km;南北向通過西安主要城區(qū),穿越北門(安遠門)、南門(永寧門)護城河。西安城墻保護條例明確規(guī)定:護城河、明代城墻墻體、城門等列入保護范圍,嚴禁對其損毀破壞。因此,為保證西安護城河的安全,確保把地鐵引起的變形控制在容許范圍內(nèi),本文借助數(shù)值仿真手段測算地鐵施工引起的地表沉降變形,以有效地指導施工。

1 工程概況

地鐵2號線穿越南門護城河段(起訖里程,右線:YDK14+356～YDK 14+401;左線:ZDK 14+354～ZDK 14+398),左右線分別從護城河底穿過,平面為直線,從南向北以2.515%(2.5%)下坡坡度穿越護城河區(qū)段,河床底部距隧道拱頂較近,如圖1所示。

圖1 護城河與隧道位置

鑒于西安地鐵的地層條件以及鐘樓、城墻、護城河等古建筑對沉降變形的要求,確定采用盾構(gòu)法施工。

施工時的隆沉容易引起河床開裂,使河水與施工面貫通,引發(fā)隧道透水事故。參考國家和各地規(guī)范要求[6-8],并結(jié)合北門(安遠門)護城河的地表變形觀測資料,確定地表沉降值控制為+5～-20 mm,局部傾斜率小于0.002時,護城河處于相對安全狀態(tài)。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地鐵二號線南門護城河段的巖土工程勘察資料,護城河區(qū)段地下水位標高在 396.56～398.29 m間變化;地下水的補給主要是來源于大氣降水入滲、地表水體入滲和外圍地下水向區(qū)間的徑流;地下水的排泄主要是向區(qū)間外的徑流和人工開采取水等。

護城河段屬黃土梁洼區(qū)的黃土梁,稱為“盎仆亮和蕁北。地形自南而北呈梁洼交替起伏,梁洼長軸沿北東東至南南西向延伸。場地內(nèi)地層為:地表分布厚薄不均全新統(tǒng)人工填土(Qml4);其下為上更新統(tǒng)風積(Qeol3)新黃土(局部為飽和軟黃土)及殘積(Qel3)古土壤,再下為中更新統(tǒng)風積(Qeol2)老黃土和沖積(Qal2)粉質(zhì)黏土、粉土、細砂、中砂及粗砂等。各土層物理力學指標見表1所列。

表1 地層土性參數(shù)

3模型的建立

采用Flac3D軟件建立三維模型分析地鐵開挖引起的地表變形。地層采用實體單元,M ohr-Coulomb材料模擬;管片采用shell單元,用彈性材料模擬;采用M ohr-Coulomb屈服準則;模型四周邊界采用滾軸約束,下表面采用固定約束,上表面采用自由約束。

根據(jù)護城河段的地層特點和隧道設計資料,確定模型的幾何參數(shù):高 27.5 m,覆土厚度約9.5 m,寬60.0 m,縱向45.0m(30環(huán)管片寬),管片寬1.5m,模型如圖2所示。

計算中,以河道為中心對稱布置5個量測斷面,如圖3所示。通過這些斷面處地表位移的計算反應護城河不同部位的變形,同時還可以反映上覆土層厚度對地表變形的影響。

圖3 模型監(jiān)測斷面位置平面圖

4 地表沉降變形分析

(1)地表沉降計算值分析。為反映量測斷面處地表沉降變形的分布特點,研究變形影響的范圍,將計算結(jié)果按量測斷面整理如圖4所示。

圖4 量測斷面地表沉降變形曲線

從圖4可以看出,量測斷面的地表沉降變形大致呈鐘形以地鐵中線為中心呈對稱分布;最大地表變形在11.2～13.5mm之間,發(fā)生在地鐵中線附近。由于河床坡度的影響,以及河床下分布厚度、尺寸不一的填土、擋墻及塊石,導致岸坡及河床底部的變形存在突變和跳躍的特征(2-2斷面、3-3斷面及4-4斷面);1-1斷面和5-5斷面地鐵拱頂上覆土層較厚,對地表變形有一定的協(xié)調(diào)能力,因此沉降變形規(guī)律明顯。

計算結(jié)果表明,西安市地鐵2號線盾構(gòu)施工引起的地表變形能夠滿足護城河對沉降的要求。

(2)現(xiàn)場實測沉降量。在上述仿真分析的指導下,地鐵2號線順利完成下穿南門護城河的主體工程?，F(xiàn)場布置的沉降觀測數(shù)據(jù)顯示,施工后沉降變形穩(wěn)定,最大隆起量0.4 mm,最大沉降量-16.5 mm,沉降曲線最大傾斜率0.001 6?，F(xiàn)場實測地表變形數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 南門護城河段量測斷面最大變形值

5 結(jié) 論

本文結(jié)合西安地鐵2號線穿越南門護城河段的工程特點,建立三維數(shù)值分析模型對盾構(gòu)施工造成的地表沉降進行預測,得到以下結(jié)論:

(1)數(shù)值計算結(jié)果表明,地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降大致呈鐘形,以地鐵中線為對稱軸;最大沉降發(fā)生在地鐵中線附近,地表最大沉降量在11.2～13.5 mm之間,滿足護城河對沉降的要求。

(2)實際的地層分布、施工條件以及外荷載的影響造成實測地表變形數(shù)據(jù)與計算值有異,但兩者在發(fā)展規(guī)律和變化趨勢上吻合較好,驗證了數(shù)值計算的合理性。

(3)借助數(shù)值分析手段計算地鐵施工引起的地表變形,可有效地指導施工;與實測數(shù)據(jù)相比較,計算結(jié)果偏小,但仍能滿足工程需要。

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[2] 田世文,杜新飛,張 柏.北京地鐵10號線盾構(gòu)下穿既有建筑物的控制措施[J].鐵道標準設計,2008,(12):148-151.

[3] 申景宇.成都地鐵1號線盾構(gòu)掘進對建筑物安全的影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2008,45(2):63-68.

[4] 熊興國.北京地鐵區(qū)間隧道淺埋暗挖法穿越高層建筑物施工技術(shù)[J].鐵道標準設計,2007,(5):77-79.

[5] 郝鳳山,段晶晶.開挖地鐵對地表建筑物影響研究[J].科學技術(shù)與工程,2007,7(10):2437-2439.

[6] 衡朝陽,滕延京,陳希泉.地鐵盾構(gòu)隧道周邊建筑物地基基礎變形控制研究[J].地下空間與工程學報,2006,2(8):1336-1340.

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Analysis of ground subsidence of south moat section in the construction of Xi'an No.2 subway line

HOU Chao-qun1, KANG Zuo2, HOU Xiao-liang3, TAN X iao-hui3

(1.School of Transportation Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China;2.Xi'an Mass Transit Railway Co.,Ltd.,Xi'an 710018,China;3.School of Resourcesand Environmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

To p reserve the Xi'an moat from being dam aged or distorted in the subway construction and keep it in good condition,theground subsidence control criterion for themoat is determ ined according to relative technical codes and existing data.Based on the construction technology,engineering geological conditions and theexisting engineering data,a three-dimensionalm odel is created by num erical simulation to calculate the ground subsidence of the south moat soction which is passed by Xi'an No.2 subway line from beneath.The resu lts show that the maximum ground subsidence between 11.2 mm and 13.5mm caused by shield construction meets the requirement of the moat subsidence control.Computing results have a good correspondencew ithmeasured values on site.

subway construction;Xi'an moat;ground subsidence;simu lation analysis

U416.1

A

1003-5060(2011)01-0102-03

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.024

2010-01-25;

2010-03-03

國家自然科學基金資助項目(40972194);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資助項目(2010HGZY0010)和合肥工業(yè)大學科學研究發(fā)展基金資助項目(080703F)

侯超群(1979-),男,安徽蕭縣人,合肥工業(yè)大學講師;

譚曉慧(1971-),女,安徽宣城人,博士,合肥工業(yè)大學教授,碩士生導師.

(責任編輯 張 镅)