新建市政道路施工对地铁隧道结构的安全影响分析

李新伟，赵占群

（1.中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450000；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731）

地铁线路周边施工环境复杂，建筑物、构筑物密集，自然地质环境多变，人们对工程环境问题的研究，大多出于经验总结阶段，而基础理论数字化、模型化的成果不多[1]。比如道路放坡开挖对其邻近结构的影响，有时采用经验法确定，但结果常常难以满足使用要求。特别是在既有地铁结构附近修建其他工程项目时，如果不能正确评估周边工程对既有地铁结构带来的潜在危险，则经济损失及社会影响难以估计。因此，正确评估周边工程对地铁结构的安全性意义重大。

本次评估的对象主要是地面道路施工对厦门地铁2号线金高区间盾构隧道结构的变形及地面的沉降隆起分析，重要性非同一般，关乎地铁结构安全及正常运营。

1 工程概况

拟建市政道路圆二路（金二路至金钟路段）位于厦门市湖里区泥金社区、东宅片区及五通小区，原始地貌单元属坡洪积准平原，现状大部分为绿地，地坪高程为6.42～9.62m。金二路至金钟路段基本与下覆地铁线路（厦门地铁2 号线金融中心站～高林区间）平行敷设，金高区间隧道拱顶覆土9～15m，线间距12.5m～17m，隧道洞身主要穿越粉质黏土、砂土及残积砂质黏性土、全风化层地层，地下水位埋深0.5～4.5m。区间采用盾构法施工，采用平板型单层钢筋混凝土管片衬砌，管片外径6.2m，厚度350mm，环宽1.2m，混凝土强度等级为C50。

金二路至金钟路段雨水管道、污水管位于规划道路左侧人行道下方，两条地铁隧道中间上方，部分段落与隧道存在小角度平面相交。最大埋深3.5m，采取1∶0.75放坡开挖方式，坑底最大开挖至管底0.62m，与隧道最小竖向净距6.9m。

图1 金二路至金钟路段与金高区间横断面位置关系图

2 安全评估分析

拟建圆二路施工过程中的挖填方，道路碾压设备的激振力，雨水、污水管沟的开挖及回填等，都会对地铁隧道结构产生卸荷、加载，致使地铁隧道结构发生沉降或隆起位移。本次安全评估重点对以上几方面展开计算分析。

2.1 模型参数

计算过程需对道路施工荷载予以重点分析，其中土石方的开挖、回填及路基碾压所需各种施工机械车辆荷载，简化为均布荷载处理，荷载取值为50kN/m2；路基及管线埋设完成后，考虑路面沥青铺设及绿化等施工荷载，均布荷载按20 kN/m2取值。

此段区间从上至下各地层物理力学指标取值见表1，模型计算参数见表2。

表1 各层地层的物理力学指标

表2 模型计算参数

2.2 计算模型

金融中心站～高林站区间上方道路为圆二路与金三路交叉路段北侧（道路起点至BK0+381.055），隧道拱顶与路面的垂直净距为最小11 米，与雨水、污水管道的垂直净距离最小为7 米。

本段道路存在较厚杂填土、素填土层，不得直接作为路基持力层，需进行挖除或翻挖碾压处理。根据设计方案，对道路路槽以下的杂填土挖至管基底部50cm，再用好土分层碾压回填至路槽底设计标高。

图2 特殊路基处理设计开挖方案示意

采用Midas GTS NX 建立整体三维模型[2]，以道路宽度方向为X 轴，以地铁隧道纵向方向为Y 轴，竖直方向为Z 轴，计算模型及相应的位置关系见下图：

图3 路面、管道与隧道相对位置关系示意图

2.3 计算结果分析

根据计算过程分别提取路基处理+素填土挖除、管道铺设、分层回填碾压及道路结构施工完成后隧道结构的竖向位移及水平位移，计算结果整理如下表所示：

表3 区间左、右线隧道位移结果汇总

从表中可知，施工过程中结构最大竖向位移为左线拱顶部位，最大值为7.31mm，水平位移为右线右边墙部位，最大值为3.36mm。素填土挖除置换过程中，隧道结构最大上浮7.31mm，超过竖向位移预警值（6mm），存在较大的施工风险。

3 方案建议

结合计算结果可知，在素填土大于4.3m 地段，原设计方案挖除素填土至管基以下50cm，对地铁隧道结构影响较大，存在不可控因素。建议适当减少土体置换开挖深度，将隧道结构上浮量控制在5mm 左右，可将置换土坑底深度设置为3m，坑底以下部分采取重复碾压加强基底的措施，其中雨水、污水管基断面仍按1∶0.75坡度正常开挖置换土体。

根据计算过程分别提取路基处理+素填土挖除、管道开挖铺设、分层回填碾压及道路结构施工完成后隧道结构的竖向位移及水平位移，计算结果整理如下表所示：

表4 隧道左右线位移及收敛结果汇总（素填土置换3m）

从表中可知，对路槽以下的素填土置换3m 厚度时，施工过程中结构最大竖向位移为左线拱顶部位，最大值为5.31mm，小于竖向位移预警值6mm。水平位移最大为右线右边墙部位，最大值为2.50mm，其变形值满足相关规范要求。

图4 特殊路基处理设计开挖方案示意

图5 路面、管道与隧道相对位置关系建模示意图

4 结语

（1）路基开挖施工产生一定的卸荷效应，土体开挖导致区间周围土体产生向内移动的趋势，在土体变形传递效应的影响下，金高隧道区间产生一定的上浮和水平位移。在路基填方段，道路施工产生一定的附加荷载（填土静荷载和路面碾压动荷载），会在一定程度上导致土层竖向土压力增大，对应的水平土压力减小，隧道结构发生一定变形。圆二路地下市政管线基槽开挖产生一定的卸载效应，造成地铁隧道区间产生一定的变形。

（2）结合数值分析计算结果表明，圆二路工程在路基开挖处理及管沟埋设整个施工流程中，金融中心站～高林站区间隧道结构在不同工序下产生了一定的竖向及水平位移，如管沟开挖中隧道产生一定的上浮，路基碾压处理中发生一定的沉降，总的结果产生一定的竖向位移和水平位移，但变形数值均在变形控制标准之内（预警值6mm）。

（3）建议在金二路至金钟路段，存在较厚素填土及杂填土地段，土体置换时开挖深度宜控制在3m 以内（超过3m 深度的素填土可采取重复碾压等土体改善措施）或者通过优化施工组织采取跳仓分段开挖等措施，以尽量减小路基挖方对隧道结构产生的卸荷上浮影响；同时路基及沟槽开挖后暴露时间不宜过长，并做好地面截水和排水措施，防止地表水浸泡基槽，及时铺设管道并分层回填碾压。

（4）三维数值分析建立在土层各向同性、静态施工的基础上，无法考虑施工期间地下水的变化以及施工或其它因素对地层物理力学参数的影响，数值模拟结果与实际可能存在一定的偏差，施工过程中应加强现场施工管理及信息化沟通工作、以信息化指导施工[3]。