已建区间隧道上方堆载、卸载影响分析

赵 佳，刘祖运

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 上海市 200010)

济南CBD商业中心位于济南市东侧，该地块内分布着多条地铁线路，和其他市政配套工程，如图1所示。根据该区域规划需求，后期将在CBD商业中心轴上设置景观带。该区域地铁设计过程中，发现现状地面标高已与详勘报告中地质钻孔孔顶标高有所不同，主要是随着CBD商业中心轴上景观带的实施，使得中心轴下方已建成的盾构区间隧道面临着上部覆土厚度增加或减少。上部覆土厚度的变化会引起管片受力变化，导致结构出现风险隐患。

图1 CBD地铁线路走向

针对可能会出现的这些问题，现选取中心轴下方呈南北向布置的历下广场站～绸带公园站区间进行分析。

1 工程概况

历下广场站～绸带公园站区间为单洞单线区间隧道，采用盾构法施工。区间隧道右线长860.9m、左线长793.7m。管片直径为6.4m，管片厚度为0.3m。区间隧道在出历下广场站后，沿CBD中央轴下方向北敷设，经过解放东路、横十路、横八路进入绸带公园站。

2 地质与水文情况

拟建场地地形由南向北逐步降低，孔口标高为76.3～96.8m。穿越地貌主要为低山丘陵地貌。区间隧道位于拆迁区域，区域表层堆积建筑垃圾。拟建场地从上到下土层为：①1素填土层、①2杂填土层、(14)1粉质粘土层、(15)1碎石层、(15)4粉质粘土层、(21)2中风化灰岩。

区间隧道穿越的土层主要为(21)2中风化灰岩，隧道顶位于(21)2层顶下2.6m。本区间揭露的中风化灰岩主要为：青灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，取芯呈柱状，长柱状，少量碎块状，锤击声脆不易碎，局部溶蚀发育，岩体较为完整，取芯率70%～95%，RQD=60～90，岩体基本质量为Ⅲ级。饱和单轴极限抗压强度为26.6～79.41MPa，平均43.82MPa，软化系数0.84，属较硬岩。

本工程该区段沿线未揭露地下水，抗浮设防水位标高按60.0m 选用，位于隧道结构下方。防渗设计水位按自然地面标高考虑。

3 区间堆/卸统计

在结构施工图设计时，隧道纵断面图中所选用的地面线依据详勘报告提供的地质钻孔孔顶标高得到。随着后期中心轴上景观带按照规划标高实施，区间隧道将面临上部覆土厚度增加或减少(即加载或卸载)的问题。

图2 历～绸区间纵断面图

根据中心轴后期规划标高，将历～绸区间隧道上需面临的堆、卸载高度以及具体位置进行汇总，如表1、表2所示。根据汇总结果可知，对于已建成区间隧道，将面临卸载高度最大达到8.9m，位于里程SK0+793.000处；将面临堆载高度最大为4.5m，位于里程SK0+298.770处。

表1 区间隧道卸载高度统计表

表2 区间隧道堆载高度统计表

4 保护要求

对调研到的北京、上海、杭州、苏州等城市执行的保护条例进行汇总，如表3所示。根据调研结果可知，对于地下工程(车站、隧道等)，结构外边线50m内为控制保护区，结构外边线5m内为特别保护区。

5 变形控制要求

根据《盾构隧道衬砌结构病害治理技术指南》(Q-SD-WBZ- FB-SS-GWJ01-2014)要求，隧道结构变形控制标准如表4所示。

6 计算分析

采用有限元分析软件Plaxis进行二维有限元建模，进而分析隧道上部覆土增加或减少(即加载或卸载)对已建隧道产生的附加变形。

(1)计算分析模型

针对区间隧道面临填土、卸土两种外部荷载改

表3 全国各城市地铁保护条例统计表

表4 变形控制标准

变的方式，分别建立填土计算模型和卸土计算模型。两个模型均按照隧道顶位于中风化灰岩层顶下2.6m进行计算。填土计算模型中上部覆土厚度取为9.6m，如图3所示。卸土模型中，隧道上部覆土厚度取为14.5m。

图3 填土计算模型图

为了减小边界效应对隧道结构的影响，两个模型的计算宽度均取60m，深度均取地面以下60m。两个计算模型中，土层均采用摩尔-库伦模型模拟，土层厚度以及物理力学参数取值均一致；隧道衬砌均采用梁单元模拟，管片直径取为6.4 m，管片厚度取为0.3 m，隧道结构周边土体均采用细密单元加密。计算分析模型左右两侧设置水平向链杆，底部设置垂直向链杆，上部为自由边界。

(2)计算结果分析

对于填土(加载)工况，区间隧道上部覆土厚度为9.6m，根据管片配筋分类：埋深<10m时为浅埋管片，其中主筋配筋123.7kg/m3；埋深10～15m时为中埋管片，其中主筋配筋143.5kg/m3；埋深15～20m时为深埋管片，其中主筋配筋163.2kg/m3；埋深>20m时为超深埋管片，其中主筋配筋188.8kg/m3，该区间管片选用中埋管片。若填土高度≤10m，管片配筋需增至深埋，配筋增加量为13.7%；若10 m<填土高度≤20m，管片配筋需增至超深埋，配筋增加量高达31.7%。综合工程安全性、经济性等因素，计算模型模拟了隧道上方填土3.0m、填土5.0m、填土10m三个堆载工况。

对于卸土(卸载)工况，区间隧道上部覆土厚度为14.5m，为了防止上部压载不足导致已建隧道发生上浮，上部覆土至少有1倍的隧道直径(6.4m)厚度，则上部可卸厚度≤8m，根据实际情况，计算模型模拟了隧道上方卸土3.0m、卸土5.0m、卸土8.0m三个卸载工况。

将六个工况计算得到的已建隧道结构附加变形值进行汇总，如表5所示。

表5 各种工况下已建隧道变形表

根据计算结果可知，对位于中等风化灰岩中的隧道结构，在其上部进行填土3～10m、卸土3～8m，即使不采用加固等保护措施，隧道结构纵向沉降与隆起、隧道收敛值均能满足结构变形控制要求。

7 结论

(1)隧道结构施工完成后，需控制周边场地的堆载、卸载高度。为保证已建成的隧道结构安全，当隧道顶位于中等风化灰岩下2.5m时，堆载高度不得大于10m、卸载高度不得大于8m。

(2)若在区间隧道周边进行景观或地下空间开发，已建隧道上方堆载、卸载高度大于上面提到的高度时，则需根据区间的实际建设、运营情况采取相应的保护措施，避免隧道结构产生过大变形甚至破损、管片接缝处张开、渗漏等损伤。