市政道路挖填方对既有下穿地铁结构的影响

黄华东，雷茂鑫，李连超

（1.重庆市市政设计研究院 设计一所，重庆 400020；2.西藏自治区质量技术监督局，西藏 拉萨 850000）

市政道路挖填方对既有下穿地铁结构的影响

黄华东1，雷茂鑫1，李连超2

（1.重庆市市政设计研究院 设计一所，重庆 400020；2.西藏自治区质量技术监督局，西藏 拉萨 850000）

为预估及探讨市政道路挖填方对既有下穿地铁结构的影响程度，通过基于地勘建立的有限元—荷载结构的分析方法，建立以地铁结构—岩土—道路为基础的三维多场耦合模型，研究道路施工的各阶段工况对地铁结构的影响.结果表明：在不同的施工阶段中，围岩隆起量最大的是道路开挖阶段，围岩及车站结构沉降量最大的是道路回填阶段，道路施工引起的车站拱顶沉降和拱底隆起量符合国家相应规范的几何容差要求；通过对车站及出入口结构的弯矩、轴力验算表明，车站结构在道路回填阶段内力变化较大，出入口结构在道路开挖阶段内力变化相对较大，但经计算在最不利工况下的内力满足承载力要求.不过考虑到现场情况复杂多变，后期施工中仍应加大重视，防止因其他因素引起的内力超限现象的发生.

市政道路；挖填方；地铁结构；沉降变形量；内力验算

近30年来，随着我国公路、铁路、轨道交通的进一步发展，地下空间发展迅猛，在既有地下结构的上方修建道路的工程也逐渐增多，针对地铁上方进行基坑开挖方面的研究也成为热点.王硕、张向东、孙坚等[1-4]研究隧道施工对既有上跨道路的影响作了详细的分析，提出可通过优化隧道衬砌开挖支护方案、改变埋深以及注浆加固等安全措施来减少对上跨道路的影响.吴东鹏、刘璐等[5-6]对隧道下穿既有道路的研究表明，拱顶沉降量受路面结构荷载的影响相对较大.

大部分学者的研究方向主要是新建隧道对既有道路的影响分析，对在既有隧道的上部大开挖大回填新建道路的情形研究还较少，笔者在前人研究[7-8]的基础上，采用数值模拟计算方法，研究不同施工阶段下的某上跨市政道路施工，对已运营地下车站主体结构以及出入口影响的程度，旨在通过得到的结构沉降数据、隆起数据以及最不利工况下的内力数据，验算挖填方的某市政道路施工对下穿结构的影响程度，为车站结构的安全做出预估.

1 工况简介

该工程下穿地铁结构车站采用10 m岛式车站，如图1所示，为单拱双层结构，车站总长度197.00 m，最大净宽18.50 m，最大净高15.20 m.车站采用复合式衬砌结构，采用钻爆法施工.出入口结构最大埋深9.74 m，采用浅埋暗挖结合明挖的施工方案，地面出入口处为明挖，其余部分为浅埋暗挖施工，总开挖长度141.17 m.其中浅埋暗挖段约80.62 m，开挖宽度为8.10 m；明挖段结构段约60.55 m，开挖宽度约7.50 m.暗挖段采用复合式衬砌结构，明挖段采用矩形框架结构支护.上跨某市政道路为双向4车道，路幅宽24.00 m，为城市次干道.

图1 结构典型横断面的相对位置示意

工程为坪状丘陵地貌，位于川东南弧形地带，勘察区域位于观音峡背斜与铜锣峡背斜之间的复式向斜地带，无断层通过.场地内地层由第四系全新统松散层和侏罗系中统沙溪庙组岩层组成，基岩主要以砂质泥岩和砂岩为主.该段为缓坡地形，地面高程280～292 m，地表粉质粘土厚度小于1 m，厚度较薄，本次计算未考虑粉质粘土的影响.洞室围岩为砂质泥岩，属软岩，围岩基本分级为IV级，地下水状态分级为I级，故地下水修正后围岩分级为IV级.

表1 结构及岩土计算力学参数

2 数学模型

计算模型采用MIDAS-GTS-NX通用有限元软件计算.岩土体的屈服条件采用德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）准则.Drucker-Prager准则是考虑了静力压力影响的广义Mises屈服准则的基础上建立的，Drucker-Prager弹塑性模型屈服方程如下：

式中，J1表示应力第一不变量，J1为：

J2表示应力偏量的第二不变量，J2为：

Drucker-Prager准则的优点在于用最简单的方法考虑到了静水压力对屈服及强度的影响，同时兼有计算参数少、考虑了岩土类材料剪胀等优点.

根据地勘实测数据建立数值模型，模型坐标系采用笛卡尔坐标系，X轴垂直隧道轴线，Z轴垂直向上，Y轴沿隧道轴线方向（见图2），左右水平计算范围取3～5倍的隧道直径，隧道向下取30 m.计算模型长200 m，宽160 m，高为50～82 m.计算范围内的岩土体采用实体单元模拟，车站及出入口衬砌结构采用板单元模拟.市政道路开挖及回填采用实体单元进行激活.车站主体衬砌为C40钢筋混凝土，设计厚度为70 cm.计算模型底面采用固定边界，四周约束自由度，地表为自由面.文中主要旨在研究地铁车站及出入口上部填挖方对结构产生的影响作用，采用GTS-NX激活、钝化程序完成施工阶段的模拟，步骤如下：初始应力场→地铁车站及出入口开挖→衬砌支护→挖方施工→填方施工→道路荷载.

图2 车站及出入口与市政道路挖填方相对位置关系

3 结果讨论及分析

3.1 车站结构及围岩竖向位移分析

图3为不同阶段围岩竖向位移变化情况.车站开挖引起拱顶部位围岩下沉，最大沉降量为-11.99 mm .拱底部位围岩隆起，最大隆起量为5.19 mm.由图3可知，道路开挖施工引起下部围岩的隆起变形，隆起变形增量为1.37 mm.道路回填施工和道路运营阶段，由于作用于围岩上部的荷载增加，主要引起围岩的沉降变形，道路回填施工引起围岩的沉降变形增量为1.14 mm，道路运营阶段引起的围岩沉降变形增量为0.12 mm.

为了更好地分析道路的施工对车站主体结构竖向位移的影响，主要用荷载结构法模拟车站主体的拱顶沉降和拱底隆起的变化情况.图4为不同施工阶段车站主体结构的竖向位移变化情况.道路开挖引起车站主体结构拱底的隆起变化不大，隆起变化增量仅为0.02 mm，分析其原因主要为道路工程开挖部分与车站主体结构不存在空间交叠关系，其主要相互交叠关系主要是道路回填部分与车站主体结构垂直相交.道路回填引起车站拱顶沉降，沉降变化增量为1.01 mm；道路运营阶段，在车辆荷载及其他工况荷载作用下，车站拱顶沉降增量为0.10 mm.道路施工引起的车站拱顶沉降和拱底隆起量符合《地铁设计规范》（TB50157—2013）中对轨道线路的静态几何尺寸容差值[9].

图3 围岩竖向位移变化情况

图4 车站竖向位移变化情况

3.2 车站结构及出入口弯矩、轴力分析

图5为不同阶段车站结构弯矩、轴力变化情况.由图5可知道路开挖施工后，车站主体结构最大弯矩为289.90 kN· m，轴力为629.80 kN；道路回填后，在回填范围内，车站主体结构最大弯矩为415.50 kN· m，轴力增大较多，为1107.10 kN；道路运营阶段，车站主体结构的最大弯矩为438.20 kN· m，轴力为1129.10 kN.上跨的某市政道路的修建，使得车站结构的弯矩整体增大了198.62 kN· m；轴力增大了361.48 kN.

出入口结构弯矩、轴力变化情况由图6可知，道路开挖施工后，由于道路开挖范围立体交叠于出入口的上方部位，在卸荷的作用下，出入口结构变形增大进而引起弯矩增大，弯矩由74.91kN· m增大到116.79 kN· m，轴力由214.93 kN增大为288.57 kN；道路回填、运营阶段轴力和弯矩变化较小，回填阶段完成后，出入口结构最大弯矩为119.93 kN· m，轴力为294.05 kN；道路运营阶段，出入口结构的最大弯矩为112.45 kN· m，轴力为276.89 kN.

图5 车站结构弯矩、轴力变化情况

图6 出入口结构弯矩、轴力变化情况

根据得到的车站主体结构、出入口内力情况，参照《铁路隧道设计规范》（TB10003—2005）计算出结构在最不利工况下的安全系数及裂缝宽度[10]，计算结果见表2.

表2 车站主体结构及出入口内力验算情况

从以上验算结果可知，车站主体结构、出入口在各个施工阶段过程中安全系数均大于2，裂缝宽度均小于0.20 mm.表明车站主体结构截面及配筋满足承载能力和正常使用的要求.

4 总结与建议

结果表明本项目道路施工过程中引起的车站主体结构拱顶沉降最大值为1.02 mm，拱顶隆起最大值为0.20 mm；道路正常运营阶段引起车站主体结构沉降0.10 mm；满足轨道线路的允许变形；车站主体结构和出入口结构原截面和配筋满足承载力的要求.对施工过程中出现的衬砌结构裂缝及渗漏水现象，要加大重视力度，查明原因，选取灌浆处理等修复加强措施.要重视加强地面防排水及坡面硬化工作，保证路面结构平整少坑洼路段，加强沉降、变形监控量测，动态信息化施工，做到防患于未然.本实验中通过数值模拟方法，对还未开工建设的项目提前作出相应的安全评估，通过理论分析来指导实际施工.在后期施工过程中，加强理论与实际的密切配合，对监控量测数据进行反分析处理，可以预报结构沉降、收敛情况是否处于安全值范围.

[1] 王硕.路基挖方施工对下方既有隧道稳定性的影响研究[J].公路交通科技（应用技术版），2016(3): 263-267.

[2] 张向东，苏伟林，张晋.隧道下穿高速公路路基沉降规律[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016, 35(8): 831-835.

[3] 孙坚，宋宏伟，王天春.隧道下穿对道路结构应力及沉降变形的影响研究[J].水利与建筑工程学报，2011, 9(5): 18-23.

[4] 焦康杰.新凉风垭隧道进口下穿高速公路段地表沉降数值分析[C]//贵州省岩石力学工程学会2014年学术年会论文集.遵义：贵州省岩石力学与工程学会，2014.

[5] 吴东鹏，杨新安，吴冲.浅埋软弱隧道下穿重载道路变形规律与控制研究[J].华东交通大学学报，2014(3): 23-28.

[6] 刘璐，梁庆国，王丽丽，等.高速铁路明挖隧道下穿既有高速公路工后稳定性分析[J].工程地质学报，2015, 23(s1): 327-332.

[7] 姚捷.新建公路施工对赣龙铁路隧道的影响分析[J].铁道工程学报，2013(2): 81-85.

[8] 王航.既有隧道上方挖方近接施工影响及对策研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[9] 北京市规划委员会.地铁设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[10] 中华人民共和国铁道部.铁路隧道设计规范：TB 10003—2005 [S].北京：中国铁路出版社，2005.

[责任编辑：韦 韬]

The Impact of Municipal Roads Excavation and Embankment on Existing Subway Structures

HUANG Hua-dong1, LEI Mao-xin1, LI Lian-chao2
(1.Chongqing Municipal Administration Design and Research Institute, Chongqing 400020, China; 2.Quality Inspection and Technical Supervision of the Tibet Autonomous Region, Ihasa 850008, China)

In order to estimate and evaluate the impact of cut-fill volumes in the construction of municipal roads on the existing subway structures, we through the finite element-load analysis method based on geological prospecting set up a three-dimensional multi-field coupling model based on the subway structure-rock-soil-road to study the effect on subway structures of road construction in various stages.The results showed that at different stages of construction, the largest upheaval of surrounding rock occurs during the excavation stage, and the largest settlement volume of the surrounding rock and the subway structure occurs at the back-fill stage.The settlement of the subway station vault caused by the road construction and the uplift of the station floor complies with the corresponding national geometric tolerance specifications.Checking computations of the bending moments of the structures of subway stations and entrances and exits showed the internal force of the subway station structures changes greatly during the back-fill stage, and that of the entrance and exitstructures changes greatly during the excavation stage, but calculations showed that even in the most unfavorable conditions the internal forces can meet the bearing capacity requirements.However, taking into account the complex and changeable situations, more attention is required in later-stage construction to prevent excessive internal force caused by other factors.

municipal roads; excavation and embankment volumes; subway structures; settlement deformation amount; internal force checking

TU94

A

1006-7302（2017）02-0067-06

2016-12-30

黄华东（1990—），男，重庆丰都人，爆破初级工程师，硕士，主要从事岩土结构、隧道及地下工程相关的科研及设计工作.