上海西群河开挖对地铁12号线的影响分析及保护方案设计

陈红梅，顾珍苗

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 201204）

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上海西群河开挖对地铁12号线的影响分析及保护方案设计

陈红梅，顾珍苗

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 201204）

随着城市地下空间的开发，河道穿越或邻近已建地铁盾构现象越来越普遍。以上海金桥通用地块内的西群河开挖为例，详细分析了因地铁保护范围内河道开挖，造成地铁一侧大面积土方卸载，对地铁盾构变形的影响，并提出相应防护措施。

河道开挖；盾构；填土卸荷；变形；有限元；三轴深层水泥土搅拌桩

0 引言

目前，我国有很多城市都建有城市地铁。河道在建设过程中，常常会遇到穿越或邻近已建地铁等问题。本文以上海金桥通用地块内的西群河开挖为例，详细分析了因地铁保护范围内河道开挖，造成地铁一侧大面积土方卸载，对地铁盾构变形的影响，并提出相应防护措施。

1 工程概况

新开挖的西群河位于上海市浦东新区金桥汽车产业制造、研发、配套单元，西起杨家沟、东至外环运河，河道中心线长约1.0 km。其中西群河金穗路～申轮路段河道蓝线位于12号线保护范围内，此段河道蓝线距12号线盾构边线最窄处仅8 m，见图1。由于距离较近，为保证区间隧道的安全和西群河新建工程的顺利实施，需要详细分析河道土方开挖卸载对区间隧道的影响。

图1 地铁12号线与巨峰路、金穗路、西群河相对关系图（单位：m）

2 轨道交通12号线概况和地铁保护范围

轨道交通12号线为连接浦东、浦西的一条东西向的轨道线路，全长38.7 km，其中浦东新区境内长度为10.8 km，全线采用地下敷设方式。目前，12号线全线区间隧道已顶推完成，已经于2013年9月正式运营。

12号线（申轮路-金穗路）区间隧道位于巨峰路规划中心线北侧，隧道外边线距西群河河道蓝线最窄处仅8 m，金穗路巨峰路交叉口处隧道外边线距西群河河道蓝线9～14 m，该段隧道中心标高位于绝对标高-9.44～-10.52 m左右，地面标高为3.83～4.18 m左右。

根据上海市轨道交通安全保护区暂行管理规定，轨道交通安全保护区范围为地下车站与隧道外边线外侧50 m内。在轨道交通安全保护区内进行下列作业的，其作业方案应当征得市运输管理处同意，并采取相应的安全防护措施。

3 西群河（金穗路—申轮路）段护岸断面设计

根据西群河河道蓝线说明，西群河水利规划要素为：河道底高程0.50 m，河底宽8.0 m，河口宽20.0 m，河道两岸各控制6.0 m陆域控制带。由于其规划规模比较小，综合考虑基地定位及周边地块规划，两岸护岸主要采用浆砌块石直立墙式护岸，平面走向按规划走线，具体见图2。

4 西群河金穗路—申轮路段河道开挖对地铁12号线影响分析

4.1 工程地质情况

根据岩土工程勘察报，各土层参数详见表1。

图2 西群河（金穗路—申轮路）断面设计图（单位：mm）

表1 地层参数表

4.2 计算说明

为保证地铁12号线正常运行，需研究西群河金穗路～申轮路段土方的卸载在施工、正常运行等工况下，对地铁12号线正常运行的影响。本次计算按最不利工况进行分析，取河道蓝线距12号线盾构边线最近处（净距8 m）断面，盾构隧道顶部最小覆土厚度为6.0 m，盾构上行线和下行线中心间距为12 m，盾构直径为6.2 m，计算示意见图3。

图3 西群河与地铁12号线计算示意图（单位：mm）

4.3 河道施工建设方案

本工程护岸结构形式为带桩基直立式挡墙结构，护岸施工工艺流程为：施工准备→测量放样→护岸基坑开挖→护岸施工→墙后土方回填→河道开挖→外运堆土→开挖断面测量→整形→防汛通道、绿化种植→工程验收。

即先进行护岸基坑开挖，待护岸施工完毕及墙后回填土按要求压实后，再进行20 m宽河道基坑开挖。施工时，施工单位应根据实际情况，采取分段、分时开挖基坑方法，并在盾构边线附近按规范要求埋设若干个沉降观测点，一旦仪器报警或发生异常，马上停工及采取相应措施，并上报相关管理部门。

4.4 计算工况

本次计算工况分为施工期及正常运行期对轨道交通12号线区间隧道的影响。具体见表2。

表2 计算工况表

其中施工期考虑河道基坑开挖对隧道的影响，正常运行期考虑不同河水位对于隧道的影响。

4.5 计算模型

为了较准确的反映河道开挖施工时填土卸荷对盾构隧道的附加变形影响，计算采用弹塑性有限元分析方法，准确考虑各结构的空间位置和刚度大小，按实际施工工序，精确模拟河道开挖对盾构隧道的影响。

因河道与盾构隧道相对位置恒定，故计算采用岩土专用有限元分析软件Plaxis进行三维有限元模型的平面计算，数值计算中充分考虑了河道开挖的影响范围建立计算模型，其中模型长（x方向）95 m，深度方向（y方向）为30 m。数值计算中，土体采用实体单元进行模拟；盾构隧道采用板单元模拟，并根据截面进行刚度换算。其中，土体采用莫尔-库仑模型模拟；围护结构材料考虑为弹性受力阶段，设为弹性材料，见图4、图5。

图4 整体模型图

图5 土层有限元划分图

计算中考虑地下水的渗流影响，以及初始固结沉降和初始应力的影响，并通过施工阶段来模拟施工工况。

4.6 施工阶段无土体变形控制措影响分析

本工况计算西群河河道基坑开挖对邻近12号线区间隧道的影响。计算中不考虑12号线区间隧道施工引起的工后沉降，隧道生成后将位移清零，计算基坑开挖引起的隧道附加变形。

（1）原始工序：施加初始地应力，位移清零（见图6）；

（2）步骤一：驳岸基坑开挖，同时降水至混凝土驳岸基础底标高（见图7、图8）；

图6 原始工序计算模型

图7 步骤一计算模型

图8 步骤一盾构隧道累计变形

（3）步骤二：施工混凝土驳岸，然后回填驳岸上方填土（见图9、图10）；

图9 步骤二计算模型

图10 步骤二盾构隧道累计变形

（4）步骤三：开挖河道至设计底标高（见图11、图12）；

图11 步骤三模型

图12 步骤三盾构隧道累计变形

4.7 运营阶段无土体变形控制措影响分析

本工况计算河道在正常运行阶段，河水位从2 m变化到3.75 m的情况下，对区间隧道结构的影响。计算中不考虑河道基坑开挖引起的隧道变形，河道基坑生成后位移清零，计算水位变化引起的隧道附加变形，见图13、图14。

图13 河道正常运行阶段计算模型

图14 河道正常运行阶段盾构隧道累计变形

由上可知，若无土体变形控制措施，施工及运营过程中盾构隧道最大累计位移量为10.77 mm。

根据上海市城市轨道交通网络建设标准化技术文件《地下空间土压平衡盾构施工风险控制建设指导意见》第6.4.2地铁保护标准，河道开挖施工时盾构隧道各方向位移量不得大于5 mm，无土体变形控制措施时，盾构隧道位移量不满足变形控制要求。

5 控制土体变形措施方案设计

5.1 控制措施方案设计概况

由于计算得出的盾构隧道位移量不满足要求，则必须采取一定的变形控制措施。

河道开挖过程中涉及大面积卸土，卸土面下方土体由于正应力消失而上拱变形，土体上拱变形引起下方土侧移，从而导致临近的隧道结构侧移。因此可从两个方面控制变形：一、河道卸土区正下方地基加固，提高土体强度及弹性模量，从而控制整个土体变形；二、河道卸土区与隧道间设置支护结构，以控制临近隧道的土体变形。

经比较计算，若仅在河道卸土区正下方地基加固，如压密注浆、旋喷桩、水泥土搅拌桩，加固效果一般，且加固土体量较大，费用较高；若在河道卸土区与隧道间设置支护结构，如树根桩或灌注桩、水泥土搅拌桩墙、SMW工法桩墙，验算看出，水泥土搅拌桩墙控制变形能力较好，且造价经济合理。

因此，采用不同的桩径、桩长和墙厚，试算得出造价合理且控制变形效果较好的方案，结果如下：

拟采用850@600三轴深层水泥土搅拌桩墙，搅拌桩桩长28 m，其中固化剂采用425号普通硅酸盐水泥，水泥搅拌桩水泥掺量为20%，桩体无侧限抗压强度（28 d龄期）不小于1.6 MPa。桩墙在盾构隧道以东3 m外开始布置，墙厚5 m。水泥土搅拌桩墙平面布置见图15。

图15 水泥土搅拌桩墙平面布置图（单位：mm）

5.2 取变形控制措施模型模拟施工步骤

（1）原始工序：施加初始地应力，位移清零；

（2）步骤一：施打水泥土搅拌桩（见图16、图17）；

图16 步骤一计算模型示意图

图17 步骤一盾构隧道累计变形

（3）步骤二：驳岸基坑开挖，同时降水至混凝土驳岸基础底标高（见图18、图19）；

图18 步骤二模型

图19 步骤二盾构隧道累计变形

（4）步骤三：施工混凝土驳岸，然后回填驳岸上方填土（见图20、图21）；

图20 步骤三计算模型示意图

图21 步骤三盾构隧道累计变形

（5）步骤四：开挖河道至设计底标高（见图22、图23）；

图22 步骤四计算模型示意图

图23 步骤四盾构隧道累计变形

（6）步骤五：运行阶段，水位在常水位与高水位间周期变化（见图24、图25）。

图24 步骤五模型

图25 步骤五盾构隧道累计变形

采用水泥土搅拌桩墙后，隧道最大累计变形为4.81 mm。因此，水泥土搅拌桩墙作为河道开挖过程中的土体变形措施，能有效控制盾构隧道位移在允许范围内。

6 结论

（1）根据上面计算结果可知，若无土体变形控制措施，河道施工及正常运行过程中盾构隧道最大累计位移量为10.77 mm＞5 mm，不满足地铁盾构变形控制要求。

（2）采用水泥土搅拌桩墙后，隧道最大累计变形为4.81 mm＜5 mm，满足地铁盾构变形控制要求。因此，水泥土搅拌桩墙作为河道开挖过程中的土体变形措施，能有效控制盾构隧道位移在允许范围内。

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[4]上海市轨道交通安全保护区暂行管理规定（沪交法 [2002]第555号发布，沪交法[2006]第442号修正）[Z].

国内首条低碳高速渝蓉高速通过考核验收

近日，渝蓉高速公路建设绿色循环低碳公路主题性试点项目通过交通运输部考核验收，标志着渝蓉高速公路作为我国第一条完整意义上的全程广泛应用绿色低碳节能新理念、新技术、新材料、新工艺建成的高速公路各项低碳节能指标全部达标合格。

渝蓉高速低碳示范工程作为重庆市唯一的低碳型交通基础设施项目，参与了交通运输部第一批节能减排绿色低碳公路主题性项目试点。在市交委的指导和支持下，渝蓉高速公司提出了“成渝新干线，低碳新高速”的建设新理念，全过程采用绿色低碳技术，全寿命实现绿色循环低碳效益，全线路进行绿色循环低碳管理，全方位保护沿线生态环境，以内源性减碳为重点，开展低碳全局优化，在规划设计、建设施工、运营管理3个方面实施了16项重点低碳措施，实现了低能耗、低排放、低污染，建成一条安全之路、绿色之路、低碳之路、生态之路、景观之路。

渝蓉高速已于2013年12月建成通车，取得了显著的节能减排和经济、社会效益，对推动我国高速公路建设科技节能减碳具有典型示范意义。

U455.43

B

1009-7716（2016）05-0239-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.067

2016-01-14

陈红梅（1982-），女，广西桂林人，工程师，从事河道整治工程设计。