新建道路工程對下臥軟土雙圓盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值分析

李筱旻

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海 200030)

0 引 言

很多大城市地鐵線路開始向郊區(qū)延伸，以連接中心城區(qū)與交通樞紐、衛(wèi)星經(jīng)濟(jì)重鎮(zhèn).城市郊區(qū)的土地開發(fā)熱，施工活動頻繁，監(jiān)督管理成本相比市區(qū)范圍要高，效果要差.軌道交通安全保護(hù)區(qū)內(nèi)城市建設(shè)活動勢必會影響地鐵結(jié)構(gòu)的安全[1-2].上海地鐵2號線發(fā)生過北翟路綠化項目和東延伸高堆土、嘉定臨時堆土等地鐵上方突發(fā)大面積堆載的案例[3].后期的整治工作困難大，類似突發(fā)堆載及違規(guī)施工造成地鐵隧道結(jié)構(gòu)因受局部不均衡輕量加載發(fā)生較大沉降漏斗及道床漏泥現(xiàn)象[4-10]，證明在軟土地區(qū)輕量加載會對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，引起了各相關(guān)單位的高度重視.

隨著城市規(guī)劃建設(shè)向外拓展，類似工程項目還會持續(xù)增加.本文研究上海2號線東延伸川環(huán)南路新建道路工程4標(biāo)段施工對下臥雙圓盾構(gòu)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，分析EPS換填技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用，通過軌道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，來驗證EPS零荷載設(shè)計的合理性.通過數(shù)值模擬道路施工過程，分析預(yù)測對受不均勻加卸載影響的雙圓盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變化過程，為后續(xù)類似的新建道路工程對地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)提供參考.

1 工程概況

1.1 工程背景

2號線東延伸川環(huán)南路新建道路工程項目位于上海市浦東新區(qū)曙光路以東、川南奉公路以西.全長約2.8 km，道路寬約40.0 m.本項目4標(biāo)段臨近軌道交通2號線川沙路站至遠(yuǎn)東大道站區(qū)間段，工程范圍為K1+160.0～K1+860.0，其中地鐵2號線川沙東站東側(cè)位置涉及河道填筑及低洼路段填筑(見圖1).

1.2 與上海軌道交通2號線位置關(guān)系

該道路工程4標(biāo)段位于軌道交通2號線的正上方，即盾構(gòu)隧道下臥在新建道路之下.該處的盾構(gòu)隧道為雙圓隧道，隧道寬度為11.2 m(2×5.6 m)，隧道的高度為6.1 m，距離道路的垂直距約為10.0 m.在道路南側(cè)新挖河道工程與區(qū)間隧道走向平行，開挖深度約4.0 m，河道邊線與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外邊線最小凈距離約40.0 m.與雙圓盾構(gòu)隧道的空間位置圖(見圖2).

1.3 項目工程難點

(1)沿線影響范圍長，換填面積大

圖3為2015年4標(biāo)段工程范圍內(nèi)的原始地貌圖.從圖中可以發(fā)現(xiàn)原始地貌多為農(nóng)田、河浜、低洼地等.工程范圍內(nèi)需要進(jìn)行填方或挖方施工，從而涉及場地標(biāo)高改變，對其下臥的盾構(gòu)隧道加載或卸載.此外，施工交叉界面多，施工機(jī)械、堆土堆物等臨時荷載多，難以實時準(zhǔn)確掌握工況，此類大范圍長里程上方換填影響可借鑒的案例較少，施工管理和技術(shù)的難度都較大.

圖3 標(biāo)段4(凌空路站-新川河橋)地貌圖(2015年)

(2)地質(zhì)風(fēng)險高

項目擬建場地位于古河道分布區(qū)，70.0 m深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，場地內(nèi)為軟土.主要由飽和粘性土、粉性土及砂土組成；第⑤層厚度較厚，缺失第⑥層，第⑦2層層頂埋深較深；由于隧道埋深較淺，隧道主要賦存和下臥土層都為深厚軟土層，如標(biāo)段3賦存于④層，標(biāo)段4賦存于第③、④層，下臥土層都為第⑤層，該類土層均具有高靈敏度、低強(qiáng)度等特點；同時該區(qū)域有暗浜分布，地質(zhì)條件風(fēng)險較大.

(3)已有軌道交通結(jié)構(gòu)變形大

根據(jù)截止于2013年6月軌道交通結(jié)構(gòu)的定期監(jiān)測數(shù)據(jù)，2號線川沙路站～遠(yuǎn)東大道站上行線最大累計沉降約-22.22 mm，下行線最大累計沉降約-27.33 mm，大部分線路沉降在-10.0 mm以內(nèi)；2號線川沙路站～遠(yuǎn)東大道站的隧道上行線最大累計收斂為42.0 mm，下行線最大累計收斂為46.0 mm，大部分線路收斂在35.0 mm以內(nèi).

2 零荷載設(shè)計及軌道交通監(jiān)護(hù)

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

對該道路工程進(jìn)行了嚴(yán)格技術(shù)申審，主要技術(shù)控制要點如下：

(1)地鐵保護(hù)等級為一級.運營線路和在建線路及結(jié)構(gòu)保護(hù)要求：最終絕對沉降(或隆起)量和水平位移量<10.0 mm；地鐵結(jié)構(gòu)位移、沉降量或隆起速率達(dá)到0.5 mm/d；監(jiān)測值不得超過日監(jiān)控指標(biāo)或總變形控制量的1/2；以及不能發(fā)生其它危及地鐵結(jié)構(gòu)安全的事情.

(2)道路工程凡新增荷載超出既有地面0.5 m必須嚴(yán)格控制.道路工程位于雙圓區(qū)間隧道及車站正上方，路面現(xiàn)狀標(biāo)高約3.7～6.4 m，設(shè)計標(biāo)高約3.9～7.1 m.高于4.5 m的高路堤路段(且大于原地面標(biāo)高0.5 m以上)必須采用EPS進(jìn)行換填.

(3)地鐵側(cè)嚴(yán)禁大量堆載，隧道上方及兩側(cè)10.0 m范圍內(nèi)不得放置大型器材.加載要求控制在

1.0 t/m2以內(nèi).

2.2 施工過程及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)工程的實際進(jìn)度，將關(guān)鍵施工節(jié)點統(tǒng)計，得到表1.

表1 4標(biāo)段主要的進(jìn)度概況

由圖2和圖4得知，地鐵隧道位于標(biāo)段4道路正下方，隧道上行線中線南側(cè)為河道，河道東偏北走向；而測點SX123至SX131對應(yīng)地表為標(biāo)高為2.8 m低洼地(2016—03—30).根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制特征點歷時曲線(見圖5).在2016—11—02前，主要施工為河道清理和EPS材料換填，道路標(biāo)高整理至3.3 m，除測點SX123至SX131上方外，其他地段有輕微卸載工況，隧道過程中表現(xiàn)為輕微上抬；自2016年11月初，開始進(jìn)行路基施工和混凝土澆筑，標(biāo)段4全段下方隧道表現(xiàn)為下沉，以測點SX126為中心的隧道段表現(xiàn)為持續(xù)下沉，對比圖4和設(shè)計及施工工況記錄，SX126上方的低洼地直接進(jìn)行了素土回填，荷載增加約1.5 m覆土厚度，初步分析是造成持續(xù)下沉的主要原因；SX131測點東側(cè)的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線變化相對穩(wěn)定，表明EPS材料換填措施良好.

圖4 標(biāo)段4地表標(biāo)高及工況圖

圖5 標(biāo)段4垂直位移特征點歷時曲線圖

3 巖土力學(xué)模型分析

3.1 模型考慮要點

本文采用ZSOIL.PC巖土工程數(shù)值分析軟件建模，對4標(biāo)段沉降漏斗上方道路挖填方施工全過程進(jìn)行了模擬，研究路基施工換填及堆載以及卸荷治理對隧道變形的影響.主要分析要點有：

(1)土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變硬化土模型(HSS)，模型參數(shù)結(jié)合巖土工程勘察報告及已有工程經(jīng)驗綜合確定.

(2)基于比奧固結(jié)理論進(jìn)行流固耦合分析.

(3)考慮了由于地鐵隧道結(jié)構(gòu)施工(土體隧道區(qū)域內(nèi)土體開挖、后注漿)對地鐵周邊地層原位應(yīng)力的擾動以及由于應(yīng)力場的變化而導(dǎo)致的土體應(yīng)力水平、土體剛度及強(qiáng)度的影響.

(4)考慮襯砌結(jié)構(gòu)的螺栓連接，即在拼接處設(shè)置非線性彈簧鉸，以求真實反映隧道結(jié)構(gòu)的剛度特性.

(5)通過地層損失量(地表沉降量)校核地鐵施工模擬是否合理.

(6)考慮地鐵隧道結(jié)構(gòu)施工后固結(jié)300 d，根據(jù)計算結(jié)果，基本達(dá)到沉降穩(wěn)定狀態(tài).

(7)計算不考慮隧道自身的運營期間，車輛震動荷載等引起的隧道附加沉降.

(8)邊界條件：模型兩側(cè)限制法向位移，底部限制法向和切向位移.水頭邊界為兩側(cè)固定水頭為2.75 m，底部不排水.

3.2 數(shù)值分析模型

模型計算域大小為200 m×50 m，南側(cè)河浜原地面處寬度為15.6 m，河底深度為1.24 m(見圖6)，其余挖填方尺寸依據(jù)實際施工標(biāo)高工況.數(shù)值計算的模型(見圖7).

圖6 模型示意圖

圖7 數(shù)值分析整體模型

3.3 模型計算參數(shù)

本次分析采用的地層為1211環(huán)附近的Q10XZ1靜力觸探孔(靜力觸探曲線詳勘勘察報告)，孔口標(biāo)高3.24 m，分層(見表2).

土性參數(shù)根據(jù)勘察報告和相關(guān)經(jīng)驗選取.HSS模型參數(shù)設(shè)置(見表3).

3.4 計算工況

結(jié)合現(xiàn)場的關(guān)鍵施工工序，用于模擬的14步施工工序，具體(見表4)施工工序表.

表2 原狀土層分布情況

表3 第④層淤泥質(zhì)黏土層HSS模型參數(shù)

表4 模擬施工工序

3.5 結(jié)果分析

圖8在2017年3月14日之前是隧道結(jié)構(gòu)各觀測點的數(shù)值計算位移與實測道床位移在相應(yīng)日期的沉降時程曲線對比圖，除了時間節(jié)點的匹配性相對較差外，總體趨勢數(shù)值計算和實測基本吻合，沉降的最大值和最小值也接近.從曲線可以看出，在大面積加載和卸載時，隧道的位移響應(yīng)十分明顯，2017年3月14日之后的曲線段是預(yù)測值.由于現(xiàn)階段低洼地回填及道路具體日期不詳，以天數(shù)表示，圖9是預(yù)測的后期施工引起的隧道附加沉降量曲線(橫坐標(biāo)時間表示道路加載之后的天數(shù))，從曲線可以看出，在大面積加載和卸載時，隧道的位移響應(yīng)十分明顯；整個計算過程考慮流固耦合的固結(jié)計算，每一次較大面積的加卸載后，隧道變形在幾天內(nèi)即會劇烈響應(yīng).預(yù)計100 d左右的隧道附加沉降為3～4 mm.

本次典型斷面的建模數(shù)值計算分析結(jié)果，與隧道實際施工的隆起和沉降絕對數(shù)值基本匹配.根據(jù)計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果，有限元分析結(jié)果的主要結(jié)論如下：

(1)因加卸載面積較大，隧道上方即使挖填方的厚度不大，隧道的隆起和沉降反應(yīng)仍然較為明顯；

(2)零附加荷載的設(shè)計方法，忽略了挖填方時，土體所經(jīng)歷的應(yīng)力釋放和再加載的應(yīng)力歷史，并不能真正實現(xiàn)隧道的零附加位移；

(3)目前初步使用的土體本構(gòu)模型及計算參數(shù)選用基本合理，可以作為后續(xù)工程參考的工程案例；

(4)建議類似工程采用簡化模型的方式，考慮不同隧道埋深和道路挖填方高度，針對零荷載設(shè)計所忽略的土體應(yīng)力釋放及再加載的應(yīng)力歷史，重點分析隧道對其的影響規(guī)律，從而提出考慮挖填方應(yīng)力歷史的隧道上方道路設(shè)計要求，如負(fù)荷載設(shè)計等.

圖8 隧道結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點的位移發(fā)展曲線與實測道床在對應(yīng)日期的沉降對比圖

圖9 預(yù)測后期施工隧道的附加沉降量

4 結(jié) 論

本文分析了2號線東延伸川環(huán)南路的施工對下臥隧道結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬計算分析，得出以下結(jié)論：

(1)上方尤其是正上方加載對隧道結(jié)構(gòu)影響明顯，加載超過0.5 m深土方量，隧道即會產(chǎn)生明顯沉降；沉降總量受加載量影響最大，與隧道埋深、賦存土層性質(zhì)有較明顯相關(guān)性；加載引起的隧道沉降變形期較長，一般大于半年；

(2)使用EPS材料換填施工，保證即不加載也不卸載是夠保證地鐵隧道的安全的理想狀態(tài)；此外，適量卸載使得地鐵車站和隧道結(jié)構(gòu)上抬，可作為治理地鐵沉降的有效措施；

(3)通過數(shù)值模擬計算得到的隧道變形規(guī)律與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)變化趨勢大致相同，表明數(shù)值模擬采用的計算模型是有效可行的，對類似工程具有一定的借鑒價值.

信息啟示

我校與浙江省浙東引水管理局簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議

4月25日，省浙東引水管理局與浙水院戰(zhàn)略合作簽約儀式在教學(xué)科研綜合樓A412舉行.葉舟校長，浙東引水管理局局長、黨委書記陳韻俊代表雙方簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議.省水利廳黨組成員、副廳長楊炯出席會議并講話.

葉舟校長致歡迎詞，他說從高就業(yè)率、高考研率，到河長學(xué)院、院士工作站、水文化研究所、水情教育基地的建立，再到“千人萬項”蹲點指導(dǎo)服務(wù)工作的積極參與，皆表明學(xué)校升本五年以來在人才培養(yǎng)、科技研發(fā)、社會服務(wù)、文化傳承方面取得了一定成績.葉校長認(rèn)為，學(xué)校發(fā)展離不開水利廳領(lǐng)導(dǎo)和兄弟單位的大力支持，學(xué)校將以此次戰(zhàn)略合作為新起點，遵循“密切合作、資源共享、優(yōu)勢互補(bǔ)、互利共贏、共同發(fā)展”的原則，力爭取得更好的成績.

陳韻俊局長對校黨委副書記沈建華牽頭進(jìn)行交流接洽并最終促成雙方合作表示感謝，他介紹了浙東引水管理局的基本情況，期望雙方成為長期戰(zhàn)略合作伙伴，以學(xué)校的專家人才彌補(bǔ)其技術(shù)力量的欠缺.

浙東引水管理局副局長唐毅對“浙東引水調(diào)度研究的相關(guān)情況”進(jìn)行匯報，校方代表闡述了“浙東引水沿線水系及流向調(diào)查”課題設(shè)計，校科技處負(fù)責(zé)人對雙方戰(zhàn)略合作協(xié)議內(nèi)容進(jìn)行說明.

楊炯副廳長肯定了學(xué)校的努力和成績，他指出學(xué)校在學(xué)生培養(yǎng)方面傾注了很多心血，更為全省水利事業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn).楊副廳長對浙東引水工程十分關(guān)心，他認(rèn)為雙方戰(zhàn)略合作的意義在于，學(xué)?？萍既瞬排c智囊團(tuán)的加入為浙東引水工程發(fā)揮其獨特的工程效益提供有力技術(shù)支撐，勢必在優(yōu)化引水調(diào)度、提升引水水質(zhì)、水生態(tài)保護(hù)等方面做出更大成績.雙方的合作正是踐行習(xí)近平總書記十九大思想，建設(shè)”美麗河湖”、“美麗鄉(xiāng)村“、“美麗浙江”.楊副廳長期望雙方能定期交流，互通信息；定好目標(biāo)，合理選題；經(jīng)費到位，把合作落到實處.

會議由副校長姜翰照主持.省水利廳人事處、科標(biāo)處相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，省浙東引水管理局相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，校黨委副書記沈建華，?？萍继?、社會合作處及相關(guān)學(xué)院、單位負(fù)責(zé)人參加了會議.

摘自浙江水利水電學(xué)院網(wǎng)