涉航作业对地铁隧道结构安全影响分析

杨 才，王世君

（广州地铁设计研究院股份有限公司 广州510010）

随着我国城市轨道交通建设的发展，地铁线路变得越来越密集，在水系发达的地区，盾构不可避免地会下穿江河湖泊，同时，一些用盾构法施工的地铁隧道与现有码头及锚地等涉航建筑物距离较近，需要充分论证对彼此的安全影响。一方面由航评报告论证地铁盾构施工及运营对相关航道设施的影响，另一方面需要对周边航道设施及相关作业对运营地铁隧道的影响进行评估。航道相关作业对地铁运营隧道的影响主要有航道疏浚养护、护岸维护加固、沉船打捞、靠离泊码头作业、码头加固维修及拆除、船舶抛锚、码头堆载、锚地船舶停泊等。目前大多学者对地铁盾构下穿河道的设计与施工进行了研究，荆鸿飞［1］通过主城区段地铁区间隧道下穿河流实例，分析了选用暗控法的施工风险，提出了相应的方案措施，确保安全通过下穿河流段。吴波［2］提出的地铁隧道过河过桥施工安全控制模式方案可行，确保了施工安全。魏纲［3］推导出了地面工后固结沉降的理论计算公式，并运用于上海软土地区盾构隧道施工引起的地面长期沉降计算，预测值与实测值非常吻合。张庆贺等人［4］推导了土压平衡盾构开挖工作面水土压力与密封舱内压力动态平衡公式，得到了盾构穿越水底浅覆土保持土体及隧道稳定所需的最小覆土厚度。鲜有学者对地铁运营后航道作业对隧道结构安全影响进行研究，本文以某地铁隧道下穿京杭运河为例，分析了地铁保护区范围内涉航作业对地铁隧道结构安全影响，对其他类似工程具有借鉴和指导意义。

1 工程概况

某地铁隧道穿越京杭运河段航道设计底高程为-2.60 m，下穿隧道结构顶标高为-12.3 m，左线、右线处现状河床泥面最低点高程分别为-3.25 m 和-3.24 m。现状航道两侧护岸为重力式浆砌块石结构，护岸底板下施打松木桩，松木桩底高程为左岸-5.88 m，右岸-4.50 m；材料供应站码头2个钢结构装卸平台分别位于距本工程隧道上游5.9 m 以及下游38.6 m 处；隧道结构边缘线距下游梁山码头锚地最南端的靠船桩约7.3 m，桩长25 m，桩顶标高为3.0 m，桩底标高为-22.0 m。地铁隧道下穿京杭运河段驳岸及码头现状如图1所示。

图1 地铁区间下穿京杭运河段驳岸及码头现状Fig.1 Current Situation of Revetment and Wharf of Subway Tunnel Crossing Jinghang Canal

2 轨道交通设施概况

2.1 管片结构设计

⑴设计使用年限：100年，安全等级一级；

⑵抗震设防标准：按场地基本烈度提高一度设计；

⑶防水等级：二级；环缝、纵缝张开6 mm 时，在0.8 MPa长期水压力下不漏水；

⑷人防荷载等级：6级；

⑸隧道运营阶段抗浮安全系数：不小于1.1；

⑹隧道内径5.5 m，外径6.2 m，管片厚0.35 m，环宽1.2 m，采用3+2+1 的分块方式，隧道曲线拟合采用标准环+左右楔形转弯环的形式；盾构隧道结构示意图如图2所示。

图2 盾构隧道结构示意图Fig.2 Structural Diagram of Shield Tunnel

⑺管片混凝土等级C50，抗渗等级P10。钢筋为HPR235、HRB335 钢。M30 环向螺栓12 只/环，M30 纵向螺栓16只/环。

地铁隧道结构在穿运河段进行加强，螺栓等级提高为8.8级，相应位置全环增设共计16个注浆孔，经验算，地铁隧道管片的断面安全性、连接缝安全性、千斤顶推力安全性均满足要求（见表1）。

2.2 轨道交通结构安全控制指标值

《城市轨道交通结构安全保护技术规范：CJJ/T 202-2013》规定了城市轨道交通控制保护区内的各项外部作业的控制，及城市轨道交通结构的控制保护要求，并对城市轨道交通结构的安全控制标准、安全评估、监测提出了具体技术要求，对已建成和正在修建的城市轨道交通结构的安全保护工作具有指导作用。给出了城市轨道交通结构安全控制指标值（见表2），可作为确定隧道变形容许量的依据。

表1 断面安全性的计算结果Tab.1 Calculation Results of Section Safety

表2 城市轨道交通结构安全控制指标值Tab.2 Structural Safety Control Index Values of Urban Rail Transit

航道设施外部作业时地铁盾构隧道处于已运营状态。地下隧道结构外边线50 m内，以及过江隧道结构外边线100 m内为城市轨道交通控制保护区。本项目工程特点如下：周边场地条件好，无重要建筑物及管线。隧道穿越的土层为⑥2淤泥质粉质黏土、⑦1粉质黏土（地基承载力特征值180 kPa）。⑦1粉质黏土地基承载力高，抗剪强度高，弹性模量大，沉降隆起量小。基于以上特点，对应的结构安全控制指标值如表2所示。

3 涉航作业对地铁隧道结构安全影响分析

3.1 航道疏浚养护

3.1.1 隧道抗浮计算

管片抗浮满足要求。

式中：R2为管片外径，取6.2 m；r2为管片内径，取5.5 m；γc为管片钢筋混凝土重度，取25 kN/m3；γw为水重度，取10 kN/m3。

3.1.2 卸载比计算

隧道上方卸荷比可根据上方基坑与隧道的空间关系（见图3），选取最不利断面按式⑸计算：

式中，S1为隧道上方主要覆土区的基坑最大断面面积（m2）；S为隧道上方主要覆土区的断面面积（m2）；φ为隧道顶部以上土体的加权平均内摩擦角（°）。

图3 隧道上方卸荷比计算简图Fig.3 Calculation Diagram of Unloading Ratio above Tunnel

本隧道覆土9.7 m，疏浚后覆土9.2 m。覆土区断面面积S=126 m2，分布开挖最大断面面积S1=10 m2，卸载比ν=0.08，小于限值0.2，满足规范要求［7］。

综上所述，在控制保护区范围可进行航道疏浚养护，疏浚后的抗浮系数为2.04，卸载比0.08，均满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范：CJJ/T 202-2013》要求。

3.2 护岸维护加固

现状航道两侧护岸为重力式浆砌块石结构，护岸底板下施打松木桩，松木桩底高程为左岸-5.88 m，右岸-4.50 m；护岸修复有以下类型：

3.2.1 护岸修复工程（一般程度）

一般程度破损、勾缝脱落的护岸修复：采用M20砂浆勾缝。

破损面积在1 m2及以下的护岸小洞：清理后采用C25毛石混凝土修复。

3.2.2 护岸修复工程（中等程度）

护岸整体结构未受损、局部破损面积在1 m2以上、破损部分在水位变动区的护岸修复：清理后采用C25毛石混凝土或C25灌浆块石修复。

护岸整体结构未受损、局部破损面积在1m2以上、破损部分在常水位以上的护岸修复：清理后采用M10浆砌块石+C30钢筋混凝土压顶修复。

护岸仅压顶破损：破损压顶清除后使用C30 钢筋混凝土浇筑修复。

以上日常维护加固产生的荷载控制在设计荷载20 kPa 以内，对隧道结构安全影响小，在控制保护区范围可进行一般护岸维护加固作业。

3.3 沉船打捞

3.3.1 沉船荷载计算

设计代表船型1 000 t级，假设水平下沉、下沉速度0.5 m/s，盾构隧道外围直径6.2 m，埋深9.7 m。根据航评报告，设计代表船型1 000 t级货船，一般约长55 m，宽10.8 m，平均吃水深度约2.4 m。制动时间△t取决于制动距离△L。令△L=1.5 m，制动过程中沉船加速度值不变，速度由0.5 m/s 变化为0，则由运动学原理可得出制动时间△t=6 s。将船只在水中的净重量取为船只重量的70%［8］。

式中：G为船只重量；B为船只宽度；L为船只长度；α为船只的水中净重量与船只重量之比；M为船只的质量；V为船只下沉的速度；△t为制动时间；β1为沉船进水系数，根据有关资料和经验，可取为0.3；β2为船周水体的附加质量系数，取为0.5；P为沉船对沉管隧道的附加荷载；Z为隧道顶部到河床表面的距离；θ为河床地基压力扩散角，一般可取为45°。

3.3.2 打捞作业

设计代表船型1 000 t级货船，考虑意外沉船事故发生在盾构上方，以及因此引起的打捞作业。结合目前船舶打捞常用的几种打捞方式：

⑴浮筒打捞法：把浮筒灌满水，沉入水底，与船连接，把浮筒内水排出，可打捞沉船。在使用浮筒打捞沉船的工程中，为了保证沉船在上浮过程中有合适的纵倾和上浮速度，同时便于保持沉船出水后船位的稳定，通常选择在低平潮期间使沉船离底出水。

⑵全内浮力打捞法：通过向沉船舱室输入高压空气，形成内浮力把沉船抬浮。这种方法可以省去大量的水下封补工作量，可以在风浪大的海区先起浮沉船拖到浅水区域或风浪较小的海区，再进行封补、扳正。

⑶泡沫塑料打捞法：将比重轻的闭孔泡沫塑料输入沉船舱内，排去海水，借泡沫浮力抬起船舶，此法免去在沉船底穿引钢缆的不便，且减少或免去封舱工作，也适应海上风浪下作业。

综上所述，隧道覆土9.7 m，设计代表船型1 000 t级沉船传递到隧道顶的荷载约5.1 kPa，小于设计荷载20 kPa。在控制保护区范围可采用浮筒打捞法、全内浮力打捞法等方法进行沉船打捞作业，对隧道结构的影响较小。

3.4 码头加固维修及拆除

材料供应站2 个码头均在地铁特别保护区外，如需对现有码头修复加固，可以采用袖阀管注浆等加固方式。确需在现码头周边施打桩基，桩型优先选用非挤土桩，因为挤土桩在成桩过程中，造成大量挤土，使桩周围土体受到严重挠动，土的工程性质有很大改变，挤土过程引起的挤土效应主要是地面隆起和土体侧移，导致对隧道变形影响较大。隧道结构外部作业水平净距控制值为非挤土桩≥5 m，可采取减小桩径、钢套管护壁、增加泥浆比重、地基预加固、间隔跳开施工等措施减少成桩施工影响［9，10］；今后对现有码头废弃拆除可以采用静态方法，减少对隧道震动和扰动，拆除时隧道上方施工荷载应小于设计荷载20 kPa。

3.5 码头堆载

码头堆场处隧道埋深17 m左右，隧道设计地面超载已考虑码头设计荷载以及现状重载车辆荷载，在特别保护区范围码头后方堆载及车辆荷载控制在20 kPa以内。

3.6 船舶抛锚

Plaxis 岩土工程有限元分析软件是用于解决岩土工程的变形、稳定性及地下水渗流等问题的通用有限元系列软件。它计算功能强大、运算稳定、界面友好，是解决当前与未来复杂岩土工程问题的专业计算分析工具。可以对土体的固结、渗流和蠕变等基本特性进行模拟，并且较好地解决了桩土接触问题，在岩土工程研究领域得到广泛应用。

模型尺寸为120 m（长）×50 m（高）。模型两侧均为水平约束（水平方向固定，竖直方向自由），底边竖向及水平约束（水平、竖直方向固定）。

⑴将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料。本构模型采用M-C弹塑性模型。

⑵土体采用二维实体单元模拟，桩和管片结构采用板单元。

⑶模型底部约束水平和竖直方向变形；模型两侧约束水平变形，竖直方向变形不约束。

根据设计代表船型1 000 t级货船，锚重约为0.9 t，小于设计荷载20 kPa。经有限元分析，船舶抛锚隧道总位移云图如图4 所示，船舶抛锚后隧道变形量为水平位移0.03 mm，竖向位移0.24 mm，盾构隧道变形控制标准为：水平变形20 mm，竖向变形20 mm，均满足要求。地铁隧道覆土9.7 m，大于1.0D（6.2 m），对隧道结构影响较小，在控制保护区范围可进行抛锚作业。

图4 船舶抛锚隧道总位移云图Fig.4 Total Displacement Cloud Chart of Ship Anchored

3.7 码头、锚地船舶停泊

1 000 t级内河船靠泊撞击力395 kN（法向0.3 m/s），系缆力135 kN。隧道结构边缘线距下游梁山码头锚地最南端的靠船桩约7.3 m，桩长25 m，桩顶标高为3.0 m，桩底标高为-22.0 m。经有限元分析，锚地系缆隧道总位移云图如图5 所示，系缆桩受力后变形产生挤土效应，引起隧道变形量为水平位移2.95 mm，竖向位移4.69 mm，盾构隧道变形控制标准为：水平变形20 mm，竖向变形20 mm，均满足要求。

图5 锚地系缆隧道总位移云图Fig.5 Total Displacement Cloud Chart of Anchor Cable

综上所述，材料供应站码头2 个钢结构装卸平台分别位于距本工程隧道上游5.9 m 以及下游38.6 m处；隧道结构边缘线距下游梁山码头锚地最南端的靠船桩约7.3 m，船只靠离泊码头引起的桩基变形对隧道结构变形影响较小，船只可在码头及锚地进行系缆停泊作业。

4 结论及建议

⑴后期航道作业不可避免会对地铁隧道产生不利影响，地铁隧道结构应在穿运河段进行加强设计，如采取提高管片连接螺栓等级，全环增设注浆孔等措施，减小外部作业对地铁隧道结构的影响。

⑵通过实例分析，航道疏浚养护工况下隧道抗浮系数及卸载比均满足规范要求；1 000 t 级沉船传递到隧道顶的荷载、日常护岸维护加固、码头堆载产生荷载均可控制在设计荷载以内；船舶抛锚、靠离泊码头及锚地船舶停泊对隧道产生的变形，均能满足轨道交通结构安全控制指标值要求，在控制保护区范围可进行上述一般涉航作业。

⑶护岸结构拆除重建及码头加固维修及拆除对城市轨道交通安全运营有较大影响，涉航作业需要在隧道两侧进行桩基施工的，桩型优先选用非挤土桩，成桩施工顺序应遵循先近后远的原则；灌注桩距离轨道交通结构较近时，可采取减小桩径、钢套管护壁、增加泥浆比重、地基预加固、间隔跳开施工等措施减少成桩施工影响；挤土桩施工可采用预钻孔、设置防挤沟、隔离墙等措施减少挤土效应。作业单位应当在征求地铁运营单位意见前，组织专家对轨道交通保护专项施工方案进行审查论证，并在施工过程中委托专业机构对作业影响区域进行动态监测。