市政道路挖填方對(duì)既有下穿地鐵結(jié)構(gòu)的影響

黃華東，雷茂鑫，李連超

（1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院 設(shè)計(jì)一所，重慶 400020；2.西藏自治區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，西藏 拉薩 850000）

市政道路挖填方對(duì)既有下穿地鐵結(jié)構(gòu)的影響

黃華東1，雷茂鑫1，李連超2

（1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院 設(shè)計(jì)一所，重慶 400020；2.西藏自治區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，西藏 拉薩 850000）

為預(yù)估及探討市政道路挖填方對(duì)既有下穿地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度，通過基于地勘建立的有限元—荷載結(jié)構(gòu)的分析方法，建立以地鐵結(jié)構(gòu)—巖土—道路為基礎(chǔ)的三維多場(chǎng)耦合模型，研究道路施工的各階段工況對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)果表明：在不同的施工階段中，圍巖隆起量最大的是道路開挖階段，圍巖及車站結(jié)構(gòu)沉降量最大的是道路回填階段，道路施工引起的車站拱頂沉降和拱底隆起量符合國(guó)家相應(yīng)規(guī)范的幾何容差要求；通過對(duì)車站及出入口結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力驗(yàn)算表明，車站結(jié)構(gòu)在道路回填階段內(nèi)力變化較大，出入口結(jié)構(gòu)在道路開挖階段內(nèi)力變化相對(duì)較大，但經(jīng)計(jì)算在最不利工況下的內(nèi)力滿足承載力要求.不過考慮到現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變，后期施工中仍應(yīng)加大重視，防止因其他因素引起的內(nèi)力超限現(xiàn)象的發(fā)生.

市政道路；挖填方；地鐵結(jié)構(gòu)；沉降變形量；內(nèi)力驗(yàn)算

近30年來，隨著我國(guó)公路、鐵路、軌道交通的進(jìn)一步發(fā)展，地下空間發(fā)展迅猛，在既有地下結(jié)構(gòu)的上方修建道路的工程也逐漸增多，針對(duì)地鐵上方進(jìn)行基坑開挖方面的研究也成為熱點(diǎn).王碩、張向東、孫堅(jiān)等[1-4]研究隧道施工對(duì)既有上跨道路的影響作了詳細(xì)的分析，提出可通過優(yōu)化隧道襯砌開挖支護(hù)方案、改變埋深以及注漿加固等安全措施來減少對(duì)上跨道路的影響.吳東鵬、劉璐等[5-6]對(duì)隧道下穿既有道路的研究表明，拱頂沉降量受路面結(jié)構(gòu)荷載的影響相對(duì)較大.

大部分學(xué)者的研究方向主要是新建隧道對(duì)既有道路的影響分析，對(duì)在既有隧道的上部大開挖大回填新建道路的情形研究還較少，筆者在前人研究[7-8]的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，研究不同施工階段下的某上跨市政道路施工，對(duì)已運(yùn)營(yíng)地下車站主體結(jié)構(gòu)以及出入口影響的程度，旨在通過得到的結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)、隆起數(shù)據(jù)以及最不利工況下的內(nèi)力數(shù)據(jù)，驗(yàn)算挖填方的某市政道路施工對(duì)下穿結(jié)構(gòu)的影響程度，為車站結(jié)構(gòu)的安全做出預(yù)估.

1 工況簡(jiǎn)介

該工程下穿地鐵結(jié)構(gòu)車站采用10 m島式車站，如圖1所示，為單拱雙層結(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)度197.00 m，最大凈寬18.50 m，最大凈高15.20 m.車站采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，采用鉆爆法施工.出入口結(jié)構(gòu)最大埋深9.74 m，采用淺埋暗挖結(jié)合明挖的施工方案，地面出入口處為明挖，其余部分為淺埋暗挖施工，總開挖長(zhǎng)度141.17 m.其中淺埋暗挖段約80.62 m，開挖寬度為8.10 m；明挖段結(jié)構(gòu)段約60.55 m，開挖寬度約7.50 m.暗挖段采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，明挖段采用矩形框架結(jié)構(gòu)支護(hù).上跨某市政道路為雙向4車道，路幅寬24.00 m，為城市次干道.

圖1 結(jié)構(gòu)典型橫斷面的相對(duì)位置示意

工程為坪狀丘陵地貌，位于川東南弧形地帶，勘察區(qū)域位于觀音峽背斜與銅鑼?shí){背斜之間的復(fù)式向斜地帶，無斷層通過.場(chǎng)地內(nèi)地層由第四系全新統(tǒng)松散層和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組巖層組成，基巖主要以砂質(zhì)泥巖和砂巖為主.該段為緩坡地形，地面高程280～292 m，地表粉質(zhì)粘土厚度小于1 m，厚度較薄，本次計(jì)算未考慮粉質(zhì)粘土的影響.洞室圍巖為砂質(zhì)泥巖，屬軟巖，圍巖基本分級(jí)為IV級(jí)，地下水狀態(tài)分級(jí)為I級(jí)，故地下水修正后圍巖分級(jí)為IV級(jí).

表1 結(jié)構(gòu)及巖土計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算模型采用MIDAS-GTS-NX通用有限元軟件計(jì)算.巖土體的屈服條件采用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）準(zhǔn)則.Drucker-Prager準(zhǔn)則是考慮了靜力壓力影響的廣義Mises屈服準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上建立的，Drucker-Prager彈塑性模型屈服方程如下：

式中，J1表示應(yīng)力第一不變量，J1為：

J2表示應(yīng)力偏量的第二不變量，J2為：

Drucker-Prager準(zhǔn)則的優(yōu)點(diǎn)在于用最簡(jiǎn)單的方法考慮到了靜水壓力對(duì)屈服及強(qiáng)度的影響，同時(shí)兼有計(jì)算參數(shù)少、考慮了巖土類材料剪脹等優(yōu)點(diǎn).

根據(jù)地勘實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立數(shù)值模型，模型坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系，X軸垂直隧道軸線，Z軸垂直向上，Y軸沿隧道軸線方向（見圖2），左右水平計(jì)算范圍取3～5倍的隧道直徑，隧道向下取30 m.計(jì)算模型長(zhǎng)200 m，寬160 m，高為50～82 m.計(jì)算范圍內(nèi)的巖土體采用實(shí)體單元模擬，車站及出入口襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元模擬.市政道路開挖及回填采用實(shí)體單元進(jìn)行激活.車站主體襯砌為C40鋼筋混凝土，設(shè)計(jì)厚度為70 cm.計(jì)算模型底面采用固定邊界，四周約束自由度，地表為自由面.文中主要旨在研究地鐵車站及出入口上部填挖方對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響作用，采用GTS-NX激活、鈍化程序完成施工階段的模擬，步驟如下：初始應(yīng)力場(chǎng)→地鐵車站及出入口開挖→襯砌支護(hù)→挖方施工→填方施工→道路荷載.

圖2 車站及出入口與市政道路挖填方相對(duì)位置關(guān)系

3 結(jié)果討論及分析

3.1 車站結(jié)構(gòu)及圍巖豎向位移分析

圖3為不同階段圍巖豎向位移變化情況.車站開挖引起拱頂部位圍巖下沉，最大沉降量為-11.99 mm .拱底部位圍巖隆起，最大隆起量為5.19 mm.由圖3可知，道路開挖施工引起下部圍巖的隆起變形，隆起變形增量為1.37 mm.道路回填施工和道路運(yùn)營(yíng)階段，由于作用于圍巖上部的荷載增加，主要引起圍巖的沉降變形，道路回填施工引起圍巖的沉降變形增量為1.14 mm，道路運(yùn)營(yíng)階段引起的圍巖沉降變形增量為0.12 mm.

為了更好地分析道路的施工對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移的影響，主要用荷載結(jié)構(gòu)法模擬車站主體的拱頂沉降和拱底隆起的變化情況.圖4為不同施工階段車站主體結(jié)構(gòu)的豎向位移變化情況.道路開挖引起車站主體結(jié)構(gòu)拱底的隆起變化不大，隆起變化增量?jī)H為0.02 mm，分析其原因主要為道路工程開挖部分與車站主體結(jié)構(gòu)不存在空間交疊關(guān)系，其主要相互交疊關(guān)系主要是道路回填部分與車站主體結(jié)構(gòu)垂直相交.道路回填引起車站拱頂沉降，沉降變化增量為1.01 mm；道路運(yùn)營(yíng)階段，在車輛荷載及其他工況荷載作用下，車站拱頂沉降增量為0.10 mm.道路施工引起的車站拱頂沉降和拱底隆起量符合《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB50157—2013）中對(duì)軌道線路的靜態(tài)幾何尺寸容差值[9].

圖3 圍巖豎向位移變化情況

圖4 車站豎向位移變化情況

3.2 車站結(jié)構(gòu)及出入口彎矩、軸力分析

圖5為不同階段車站結(jié)構(gòu)彎矩、軸力變化情況.由圖5可知道路開挖施工后，車站主體結(jié)構(gòu)最大彎矩為289.90 kN· m，軸力為629.80 kN；道路回填后，在回填范圍內(nèi)，車站主體結(jié)構(gòu)最大彎矩為415.50 kN· m，軸力增大較多，為1107.10 kN；道路運(yùn)營(yíng)階段，車站主體結(jié)構(gòu)的最大彎矩為438.20 kN· m，軸力為1129.10 kN.上跨的某市政道路的修建，使得車站結(jié)構(gòu)的彎矩整體增大了198.62 kN· m；軸力增大了361.48 kN.

出入口結(jié)構(gòu)彎矩、軸力變化情況由圖6可知，道路開挖施工后，由于道路開挖范圍立體交疊于出入口的上方部位，在卸荷的作用下，出入口結(jié)構(gòu)變形增大進(jìn)而引起彎矩增大，彎矩由74.91kN· m增大到116.79 kN· m，軸力由214.93 kN增大為288.57 kN；道路回填、運(yùn)營(yíng)階段軸力和彎矩變化較小，回填階段完成后，出入口結(jié)構(gòu)最大彎矩為119.93 kN· m，軸力為294.05 kN；道路運(yùn)營(yíng)階段，出入口結(jié)構(gòu)的最大彎矩為112.45 kN· m，軸力為276.89 kN.

圖5 車站結(jié)構(gòu)彎矩、軸力變化情況

圖6 出入口結(jié)構(gòu)彎矩、軸力變化情況

根據(jù)得到的車站主體結(jié)構(gòu)、出入口內(nèi)力情況，參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2005）計(jì)算出結(jié)構(gòu)在最不利工況下的安全系數(shù)及裂縫寬度[10]，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 車站主體結(jié)構(gòu)及出入口內(nèi)力驗(yàn)算情況

從以上驗(yàn)算結(jié)果可知，車站主體結(jié)構(gòu)、出入口在各個(gè)施工階段過程中安全系數(shù)均大于2，裂縫寬度均小于0.20 mm.表明車站主體結(jié)構(gòu)截面及配筋滿足承載能力和正常使用的要求.

4 總結(jié)與建議

結(jié)果表明本項(xiàng)目道路施工過程中引起的車站主體結(jié)構(gòu)拱頂沉降最大值為1.02 mm，拱頂隆起最大值為0.20 mm；道路正常運(yùn)營(yíng)階段引起車站主體結(jié)構(gòu)沉降0.10 mm；滿足軌道線路的允許變形；車站主體結(jié)構(gòu)和出入口結(jié)構(gòu)原截面和配筋滿足承載力的要求.對(duì)施工過程中出現(xiàn)的襯砌結(jié)構(gòu)裂縫及滲漏水現(xiàn)象，要加大重視力度，查明原因，選取灌漿處理等修復(fù)加強(qiáng)措施.要重視加強(qiáng)地面防排水及坡面硬化工作，保證路面結(jié)構(gòu)平整少坑洼路段，加強(qiáng)沉降、變形監(jiān)控量測(cè)，動(dòng)態(tài)信息化施工，做到防患于未然.本實(shí)驗(yàn)中通過數(shù)值模擬方法，對(duì)還未開工建設(shè)的項(xiàng)目提前作出相應(yīng)的安全評(píng)估，通過理論分析來指導(dǎo)實(shí)際施工.在后期施工過程中，加強(qiáng)理論與實(shí)際的密切配合，對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析處理，可以預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)沉降、收斂情況是否處于安全值范圍.

[1] 王碩.路基挖方施工對(duì)下方既有隧道穩(wěn)定性的影響研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2016(3): 263-267.

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

The Impact of Municipal Roads Excavation and Embankment on Existing Subway Structures

HUANG Hua-dong1, LEI Mao-xin1, LI Lian-chao2
(1.Chongqing Municipal Administration Design and Research Institute, Chongqing 400020, China; 2.Quality Inspection and Technical Supervision of the Tibet Autonomous Region, Ihasa 850008, China)

In order to estimate and evaluate the impact of cut-fill volumes in the construction of municipal roads on the existing subway structures, we through the finite element-load analysis method based on geological prospecting set up a three-dimensional multi-field coupling model based on the subway structure-rock-soil-road to study the effect on subway structures of road construction in various stages.The results showed that at different stages of construction, the largest upheaval of surrounding rock occurs during the excavation stage, and the largest settlement volume of the surrounding rock and the subway structure occurs at the back-fill stage.The settlement of the subway station vault caused by the road construction and the uplift of the station floor complies with the corresponding national geometric tolerance specifications.Checking computations of the bending moments of the structures of subway stations and entrances and exits showed the internal force of the subway station structures changes greatly during the back-fill stage, and that of the entrance and exitstructures changes greatly during the excavation stage, but calculations showed that even in the most unfavorable conditions the internal forces can meet the bearing capacity requirements.However, taking into account the complex and changeable situations, more attention is required in later-stage construction to prevent excessive internal force caused by other factors.

municipal roads; excavation and embankment volumes; subway structures; settlement deformation amount; internal force checking

TU94

A

1006-7302（2017）02-0067-06

2016-12-30

黃華東（1990—），男，重慶豐都人，爆破初級(jí)工程師，碩士，主要從事巖土結(jié)構(gòu)、隧道及地下工程相關(guān)的科研及設(shè)計(jì)工作.