既有地鐵上方道路設計方案比選研究

摘要：以某新建高速公路工程為實例，針對隧道側方和上方道路施工的工況，建立了包含機場聯(lián)絡線及地面道路施工的整體三維數(shù)值模型，并對原設計方案、輕質泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案進行了對比分析。研究結果表明，EPS材料換填方案對地鐵結構的變形影響最小，施工完成后的隧道沉降只有0.34mm，遠小于設計要求。同時經(jīng)長期效果分析，EPS材料換填方案對隧道的變形影響也最小，只有0.2mm。由此說明，EPS材料換填方案具有較好的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：既有地鐵；數(shù)值模擬；輕質泡沫混凝土；EPS材料；隧道變形；長期沉降

0" "引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，尤其是在已經(jīng)建成的城市中，如何在確保地鐵運行安全的前提下，優(yōu)化和拓展城市道路路網(wǎng)，已成為當前城市規(guī)劃與建設亟待解決的重大課題[1]。在既有地鐵上開展路面設計與建設，不僅要兼顧其功能與經(jīng)濟要求，還要充分考慮施工過程對地鐵安全性與運行穩(wěn)定性的影響[2]。由于軌道交通多處于城區(qū)中心地帶，周圍環(huán)境復雜、地下管線密集，且地鐵是重要的交通干線，因此對其施工安全提出了更高的要求。

本研究以既有軌道交通為研究對象，根據(jù)隧道側方和上方道路施工的工況，建立了包括機場聯(lián)絡線以及地面道路施工的整體模型，并對原設計、輕質泡沫混凝土和EPS材料回填3種施工方案的可行性進行了評估。通過本研究，可為我國公路建設工程中的“路-地”并存問題提供科學、合理的設計方案，同時為同類工程中“路-地”并存問題的解決提供技術借鑒，推動我國城市交通基礎設施協(xié)調發(fā)展[3]。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

某高速公路主線改建工程，道路等級參照城市快速路標準，設計速度為60km/h，長約4.9km，雙向8車道。本工程與市域鐵路線中地鐵保護區(qū)范圍存在交叉[4]，項目平面圖如圖1所示。根據(jù)《鐵路安全管理條例》《地方鐵路線路安全保護區(qū)管理規(guī)定》《城市軌道交通結構安全保護技術標準》以及管理部門意見等，對鐵路保護范圍內的工程方案進行比選。

1.2" "地質狀況

通過對項目現(xiàn)場的詳細勘察可知，擬建場地的地質穩(wěn)定性較好，整體地形比較平緩，巖層分布比較穩(wěn)定。雖然局部存有軟弱土、流砂等不良地質情況，但采取相針對性的防治措施，也可以有效解決這些問題?？傮w來看，該場地具備良好的工程地址條件，適合本項目的建設要求。

1.2.1" "土層分布

①1層雜填土：包括建筑廢棄物和植物根系等，其結構性較差，不能直接用作地基承載體，可以采用置換法進行填筑。場地內普遍分布。

①2層浜底淤泥：土質較差，軟塑，高壓縮性，施工過程中需要開挖和治理。分布于明溝內。

①3層素填土：主要成分是黏土，軟塑，高壓縮性，部分地區(qū)含有植物根系等，結構性較差，可以采用分層夯實法。場地內普遍分布。

①4層浜填土：含建筑垃圾、植物根莖、有機物、少量的生活垃圾和腐爛的植物。松散，含淤泥，高壓縮性。分布在暗溝里。

②1層粉質黏土：軟塑可塑，中等壓縮性，一般為“硬殼層”，是一種良好的基礎承載體，但部分土層比較薄。

②3層砂質粉土：疏松至中密度，中等壓縮性，可用作公路路基。

③1層及③4粉質黏土：高含水率、高壓縮性、低強度，易發(fā)生軟弱層，對路基的穩(wěn)定性及沉降產(chǎn)生不利影響，需要進行合理的基礎處理。

③T層砂性粉質黏土：疏松至略致密，中等壓縮性，土質較好，為液化土層，液化等級輕微，可作為路基持力層或道路路基下臥層。

④層淤泥質黏土：灰色，含云母、有機質、貝殼碎屑，夾少量薄層粉砂，局部為淤泥質粉質黏土、黏土。呈流塑狀態(tài)，高等壓縮性。場地內遍布。

⑤1層黏土：灰色，含云母、有機質、貝殼碎屑，夾少量薄層粉性土，局部為粉質黏土。呈軟塑狀，高等壓縮性。場地內遍布。

⑦1層草黃色～灰黃色砂質粉土：草黃-灰黃色，含云母、氧化鐵條紋，局部夾砂質粉土，土質不均。呈稍密狀，中等壓縮性。該層在正常地層分布區(qū)局部分布。

1.2.2" "土層參數(shù)

根據(jù)土層分布的詳細分析，得到土層參數(shù)如表1所示。

2" "三維數(shù)值分析

2.1" "數(shù)值模型建立

結合換填的開挖深度和隧道埋深，選取計算模型尺寸為：長150m，寬300m，高66m。有限元總體模型如圖2所示。模型節(jié)點數(shù)為38316個，六面體實體單元數(shù)為34028個，滲透面單元數(shù)為4306個。模型的邊界條件如下：頂部自由；四周及底部限制法向位移，底邊限制三個方向的位移；四周為透水邊界，底部為不透水邊界[5]。

2.2" "分析工況設置

計算初始位移和地應力，然后清零位移。輕質泡沫混凝土方案土體開挖2.8m，EPS方案土體開挖1.9m。輕質泡沫混凝土方案填筑總計4m，EPS方案填筑總計3.06m，水泥土填筑0.8m。進行超載測試，施加10kPa超載，持續(xù)20d。

3" "計算結果分析

基于上述施工方案，分析各方案對周邊土體和隧道結構的影響，重點關注沉降、隆起和整體變形等指標。通過對比分析不同方案的實施效果，選擇最優(yōu)施工方法，減少施工對既有地鐵線路的影響。

3.1" "原設計方案

利用數(shù)值模型對原設計道路施工方案進行模擬仿真，得到原設計方案的施工路面變形示意如圖3所示。

從圖3可以看出，原設計道路施工方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為111.9mm，變形主要表現(xiàn)為沉降。同時，所引起的隧道整體變形隨著分層回填不斷增大，最大變形量為7.21mm。

3.2" "輕質泡沫混凝土換填方案

利用數(shù)值模型對輕質泡沫混凝土換填方案進行模擬仿真，得到輕質泡沫混凝土換填方案的施工路面變形示意如圖4所示。

從圖4可以看出，輕質泡沫混凝土方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為29.63mm。在卸土時，隨著回填其變形逐漸減小。同時，所引起的隧道整體變形最大變形量為6.21mm，施工結束后其變形量為2.15mm。

3.3" "EPS材料換填方案

利用數(shù)值模型對EPS材料換填方案進行模擬仿真，得到EPS材料換填方案的施工路面變形示意如圖5所示。

從圖5可以看出，EPS材料換填方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為13.6mm。在卸土時，隨著回填其變形逐漸減小。同時，所引起的隧道整體的最大變形量為3.84mm，施工結束后其變形量為0.34mm。

3.4" "長期效應沉降分析

3.4.1" "原設計方案沉降

對于原設計方案來講，施工結束10年后的機場聯(lián)絡線隧道左線最大沉降約36.33mm，右線最大沉降約36.03mm，均超過控制值10mm。同時，由于對應位置地表道路回填垂直跨越隧道軸線，導致沿隧道軸向的沉降槽較為明顯，隧道左、右線的最小曲率半徑約22.193km，滿足曲率半徑控制限值15km要求。

3.4.2" "輕質泡沫混凝土換填方案沉降

對于輕質泡沫混凝土換填方案來講，施工結束10年后的機場聯(lián)絡線盾構隧道的收斂值約0.2mm，沉降約0.3mm，均未超過控制值。同時，隧道對應的曲率半徑最小約980km，也滿足限值15km的要求。

3.4.3" "EPS材料換填方案沉降

對于EPS材料換填方案，施工結束10年后的機場聯(lián)絡線盾構隧道的收斂值約0.1mm，沉降約0.2mm，均未超過控制值。同時，隧道對應的曲率半徑最小約1231km，也滿足限值15km的要求。

4" "結束語

本文根據(jù)隧道側方和上方道路施工的工況，建立包括機場聯(lián)絡線以及地面道路施工的整體三維數(shù)值模型，并對原設計方案、輕質泡沫混凝土方案和EPS材料回填方案3種方案進行了對比分析，得出如下結論：

原設計方案施工結束時，隧道變形雖未超過控制指標，但長期固結變形使隧道最終變形量仍遠超控制指標，因此不建議采用原設計方案。

對機場聯(lián)絡線盾構隧道結構變形分析表明，輕質泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案的施工結束后，盾構隧道變形量分別為2.15mm和0.34mm，均能滿足變形控制要求。

長期變形計算分析結果表明，原設計方案因道路超載回填較大，10年后隧道變形增長明顯，最大值為39.84mm，遠大于控制指標10mm；輕質泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案由于無明顯超載，10年后的隧道變形增量不明顯，但開挖卸載時隧道變形最大。

隧道水平收斂和拱底沉降的分析表明，原設計方案機場聯(lián)絡線的長期沉降變形超標；輕質泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案引起的沉降變形和收斂變形均滿足限值要求。無論原設計方案、輕質泡沫混凝土換填方案，還是EPS材料換填方案，沿隧道產(chǎn)生的曲率半徑均能滿足限值要求。

綜上所述，從結構安全和經(jīng)濟性角度考慮，本文推薦EPS材料換填方案作為解決城市軌道交通與基礎設施共存問題的首選方案。研究成果將為城市軌道交通基礎設施的規(guī)劃、建設和運營提供了理論指導，對促進城市交通基礎設施的協(xié)調發(fā)展具有重要意義。

參考文獻

[1] 李琪.城市軌道交通規(guī)劃與城市發(fā)展的互動作用[J].智能城市，2020，6（22）：113-114.

[2] 城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3] 董帥.地鐵區(qū)間段上方后建道路路基設計方案[J].道路工程，2021，66（12）：82-86.

[4] 崔維秀，萬燕.淺析某高架橋工程涉成都地鐵5號線盾構區(qū)間的地鐵保護設計方案[J].綠色交通，2019，4（1）：233-234.

[5] 周振宇.地鐵暗挖隧道施工對高架橋樁保護的實例與分析[J].廣東土木與建筑，2007，19（8）：30-32.

[6] 劉長寶，鄒金杰，彭加強，等．既有地鐵隧道上方明挖基坑施工方案分析[J]．城市軌道交通研究，2019，22（6）：133-137.