李筱旻

(上海申通地鐵集團有限公司，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標段臨近軌道交通2號線川沙路站至遠東大道站區(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)需要進行填方或挖方施工，從而涉及場地標高改變，對其下臥的盾構(gòu)隧道加載或卸載.此外，施工交叉界面多，施工機械、堆土堆物等臨時荷載多，難以實時準確掌握工況，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，如標段3賦存于④層，標段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

2.1 技術(shù)標準

對該道路工程進行了嚴格技術(shù)申審，主要技術(shù)控制要點如下：

(1)地鐵保護等級為一級.運營線路和在建線路及結(jié)構(gòu)保護要求：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到0.5 mm/d；監(jiān)測值不得超過日監(jiān)控指標或總變形控制量的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)狀標高約3.7～6.4 m，設(shè)計標高約3.9～7.1 m.高于4.5 m的高路堤路段(且大于原地面標高0.5 m以上)必須采用EPS進行換填.

(3)地鐵側(cè)嚴禁大量堆載，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)工程的實際進度，將關(guān)鍵施工節(jié)點統(tǒng)計，得到表1.

表1 4標段主要的進度概況

由圖2和圖4得知，地鐵隧道位于標段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，開始進行路基施工和混凝土澆筑，標段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 標段4地表標高及工況圖

圖5 標段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標段沉降漏斗上方道路挖填方施工全過程進行了模擬，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、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，?？萍继庁撠?zé)人對雙方戰(zhàn)略合作協(xié)議內(nèi)容進行說明.

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.楊副廳長對浙東引水工程十分關(guān)心，他認為雙方戰(zhàn)略合作的意義在于，學(xué)?？萍既瞬排c智囊團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，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、單位負責(zé)人參加了會議.

摘自浙江水利水電學(xué)院網(wǎng)