道路施工对下方地铁隧道的沉降影响分析

韩国俊，刘 洋，邢如飞

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

近几年，随着我国经济的持续、健康、快速发展，城市化进程不断加快，国内各大城市轨道交通建设事业已进入蓬勃发展时期，多座城市地铁运营总里程超过百公里，这其中就有很多是市郊地铁线路，由于市郊区域城市规划相对滞后且规划调整可能性大，城市规划道路不能与地铁建设同期实施，后期在已建成地铁隧道上方进行道路路基开挖换填及地面堆载等作业时，因地铁隧道大多浅埋，地铁隧道原有的受力平衡状态较易被打破，常会造成地铁隧道上浮或下沉，严重时将影响到地铁线路的运营安全。因此，对道路施工过程中可能引起的地铁隧道变形进行定性或定量的分析，同时提出相关工程措施，以达到保护已建成地铁隧道的目的。以广州地铁2号线延长线江黄区间上方规划道路的实施为依托，采用数值计算方法对规划道路施工引起下方地铁隧道的上浮或下沉进行分析，总结地铁隧道的变形规律，并与实际监测结果进行比较，评估地铁隧道的运营安全状态，并提出相关建议和措施，以期为类似工程提供有益参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

广州地铁2号线延长线江黄区间沿线地形较平坦，地势较开阔，地面高程12.71～16.30 m，建设期间地面条件较简单，区间主要行经基本农田区，周边分布有少量高层建筑及临时厂房。设计起讫里程为:右线YDK28+467.5～YDK29+527.7，长1 060.734 m(长链0.534 m);左线 ZDK28+467.5～ZDK29+527.7，长1 061.901 m(长链1.701 m)。区间基本位于拟建白云区规划七路的中间位置，采用明挖法施工，地铁隧道结构采用双洞矩形框架结构，标准段线间距4.8 m，覆土厚度2.58～7.08 m，目前已投入运营。规划七路为城市次干道，规划红线宽度40 m，道路实施较地铁线路投入运营晚约四个月时间，道路施工期间需对地面以下2 m范围内的松软地基采用翻挖换填处理，以满足道路路基的承载力和压实度要求。

1.2 工程地质

区间范围内上覆第四系包括全新统(Q4)、上更新统(Q3)及残积土层(Qel)，缺失中更新统和下更新统。全新统包括人工填土(Q4ml)、上更新统冲积-洪积砂层(Q3+4

al+pl)、土层(Q3al+pl)，下伏二迭系下统栖霞组(P1q)，岩性为灰黑色炭质灰岩夹炭质页岩、泥岩，岩溶较发育，根据区域资料，岩层走向呈南北，倾向西，与下伏石炭系基岩呈整合接触。区间隧道主要穿过的地层为冲积—洪积土＜4-1＞，局部分布含水砂层＜3-1＞、＜3-2＞，结构底板主要坐落于冲积-洪积相粉质黏土＜4-1＞、残积类可塑状粉质黏土＜5C-1B＞、残积类硬塑状粉质黏土＜5C-2＞上。

本场地地下水按赋存介质可分为第四系松散层孔隙水和灰岩溶洞裂隙水。第四系松散层孔隙水主要为含水层冲积—洪积砂层＜3-1＞、＜3-2＞层。灰岩溶洞裂隙水主要赋存于灰岩岩溶发育地段，其赋存条件受岩溶发育程度、形态特征、规模大小以及裂隙充填情况等因素影响，富水性和渗透性及涌水量变化较大，很不均匀。由于江黄区间岩溶发育在下伏岩层中，上部冲洪积和残坡积土层厚度较大，透水性差，一定程度上起到相对隔水作用，岩溶水具承压水特征。

1.3 结构形式及尺寸

地铁隧道结构采用双洞矩形框架结构，计算结构断面见图1。

图1 计算结构断面(单位:mm)

2 数值计算

2.1 计算模型

根据道路施工过程中发生的各种工况，采用FLAC3D有限差分软件，建立地层-结构三维模型见图2，模型长度取60 m(相邻变形缝间地铁隧道长度)。

图2 整体模型

2.2 计算参数

根据详勘报告，选取现场道路施工引起地铁隧道位移最大位置附近的地质钻孔进行验算，地下水位按地下埋深1 m考虑，钻孔位置地铁隧道覆土厚度为4.5 m，地层主要计算参数见表1。

2.3 计算结果

(1)工况一

道路施工过程中发生不按相关规定在地铁隧道上方堆放土体、材料等情况，局部地段堆载高度达3 m，对地铁隧道结构进行变形监测时，产生较明显的整体下沉现象，随即组织人力、物力尽快将隧道上方堆载清除。堆土容重按20 kN/m3考虑，则3 m高的堆土转换为60 kPa的地面荷载进行计算，计算结果见图3。

表1 地层主要计算参数

图3 堆载-卸荷整体沉降云图

经过计算可知，左、右洞隧道顶板中间点沉降值为6.8 mm，其底板中间点沉降值为6.5 mm，两点相对竖向变形为0.3 mm;左洞隧道边墙中间点水平位移为-0.11 mm，其沉降值为6.3 mm，右洞隧道边墙中间点水平位移为0.11 mm，其沉降值为6.3 mm。因此隧道结构在地面堆载作用下主要发生了整体下沉，隧道结构自身变形较小，以边墙点为相对点，则可认为隧道整体下沉了6.3 mm，左、右洞顶板中部向下变形了0.5 mm，其底板中部向下变形了0.2 mm，两侧边墙向外侧水平各变形了0.11 mm。

(2)工况二

道路施工过程中需要对地面以下2 m范围内的松软地基土进行翻挖换填处理，(即开挖2 m后，再回填2 m)，以满足道路路基的承载力和压实度要求，计算结果见图4。

图4 开挖-回填整体沉降云图

经过计算可知，左、右洞隧道顶板中间点沉降值为-1.74 mm，其底板中间点沉降值为-1.72 mm，两点相对竖向变形为0.02 mm;左、右洞隧道边墙中间点水平位移很小忽略不计，其沉降值为-1.71 mm。因此隧道结构在地面先开挖后回填作用下主要发生了整体上浮，隧道结构自身变形很小，以边墙点为相对点，则可认为隧道整体上浮了1.71 mm，左、右洞顶板中部向上变形了0.03 mm，其底板中部向上变形了0.01 mm，两侧边墙水平变形很小忽略不计。

2.4 监测成果与计算结果比较

规划七路施工过程中在地铁隧道结构内侧轨道道床中部设置监测点，对结构底板进行变形监测。2011年1月12日部分施工段观测中产生较大沉降，在2011年1月5日～2011年1月12日期间，单次变化量最大值为4.61 mm(点 CS1848B，里程 YDK29+110)，与地铁建设期最后一次监测数据(2010年9月25日)对比，最大累计变化量为-8.35 mm(点CS1850，里程YDK29+125)。经调查导致地铁隧道产生沉降的原因是道路施工过程中将其他区段翻挖换填土方堆载在该段所致，随后立即组织人力、物力于12日将隧道上方堆载清除，堆载-卸荷情况下地铁隧道变形曲线见图5。

图5 堆载-卸荷情况下地铁隧道变形曲线

道路翻挖换填严格按照“分层、分块、对称、平衡、限时”进行开挖和回压施工。2011年1月15日开始监测翻挖换填段施工，2011年1月18日结束施工，开挖-回填情况下地铁隧道变形曲线见图6。

图6 开挖-回填情况下地铁隧道变形曲线

图5、图6显示在道路施工前后，各监测点主要发生下沉现象，隧道的下沉主要由隧道底板下松散地层或半松散地层在自重应力和荷载作用下，地层固结引起，变化速率较缓慢。而道路施工期间，当地铁隧道上方有地面堆载作用时，地铁隧道发生了整体下沉;当在地铁隧道上方进行翻挖换填时，地铁隧道发生了整体上浮，变化速率较快。

由数值模拟计算结果可知。

(1)当在地铁隧道上方堆载时，地铁隧道将整体下沉，同时结构自身产生了一定的变形。隧道整体下沉较大，下沉了6.3 mm，而结构自身变形较小，左、右洞顶板中部向下变形了0.5 mm，其底板中部下沉了0.2 mm，两侧边墙向外侧水平各变形了0.11 mm。

(2)当在地铁隧道上方进行翻挖换填时，地铁隧道将整体上浮，同时结构自身产生了一定的变形。隧道整体上浮不大，上浮了1.71 mm，而结构自身变形很小，左、右洞顶板中部上浮0.03 mm，其底板中部上浮0.01 mm，两侧边墙水平变形很小忽略不计。

经比较，监控量测结果与数值模拟结果基本吻合，且符合实际的变形规律。

3 结论与建议

经数值模拟计算及综合分析，认为白云区规划七路项目施工期间不影响地铁2号线隧道结构安全，但危及地铁线路的运营安全。具体结论与建议如下。

(1)由于地铁隧道结构埋深较浅，当隧道下方地层较差时，上方超载将引起地铁隧道结构产生较大下沉，从而影响地铁区间隧道的运营安全。虽然本工程实例中堆载高度对隧道结构自身变形影响较小，结构处于安全状态，但当堆土高度继续增加时，将产生结构破坏，严重影响地铁运营安全。因此需要严格禁止在地铁隧道上方堆载，避免在隧道结构上方堆放土体、堆放材料和停放重型机械等。

(2)地铁隧道结构上方开挖换填土体，会引起下方地铁区间隧道的结构受力状态发生一定程度的改变，若严格按照“分层、分块、对称、平衡、限时”开挖和回压，下方地铁隧道结构上浮很小，且结构处于较低的受力水平，不影响隧道自身结构和运营安全。但当隧道上方基坑开挖深度较大时，应采用深层搅拌桩或高压旋喷桩对隧道顶部土体进行加固，通过加固提高土体的抗剪强度等指标以控制隧道结构的上浮。

(3)运用FLAC3D有限差分软件可以较好的模拟在地铁隧道上方进行道路施工时隧道结构的变形规律，无论是路基开挖换填还是地面堆载，计算出的变形规律均符合实际形态。

(4)建议在已建成地铁隧道上方进行道路施工作业时加强对下方地铁隧道结构的变形监控工作，以及时监控地铁隧道的结构安全状态，建立监测预警系统，进行信息化管理。

(5)地铁隧道上方道路需要严格按照“分层、分块、对称、平衡、限时”进行开挖和回压，必要时可采取地面堆载反压预案。

(6)进行地铁上方规划道路平纵断面设计时，应尽可能依据现有地面高程设置路面高程，避免较大的路基开挖和回填工程。

(7)在市郊实施地铁工程时，应配合规划部门尽早稳定规划道路，尽可能使道路工程与地铁工程同步实施。若无同步实施条件时，地铁隧道施工完成回填覆土时，应对隧道顶土方回填密实度进行严格要求，保证回填质量，避免二次翻挖换填。

(8)道路施工前应针对下方地铁隧道的结构现状开展相关调查和分析，以掌握地铁隧道的结构现状，更好地开展道路设计及施工，保证地铁运营安全。

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