道路施工对既有隧道及公路的影响及其数值模拟

吕秋玲，刘 成

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

随着城市道路发展和大量交通工具的出现，城市交通变得越来越复杂。城市道路影响地下空间的正常运营时有发生，例如对地铁及既有公路的变形影响。本文以合肥轨道交通1号线(珠江路站—锦绣大道站)区间段徽州大道的施工实例，重点分析其对地铁及周围环境的影响，旨在实现施工过程中的安全控制和优化保护。

1 工程概况

1.1 研究背景与目的

拟建合肥市徽州大道(繁华大道—锦绣大道)呈南北走向，南与锦绣大道交叉，北过繁华大道，宽约60.0 m，双向八车道，设计路面高程15.06～27.83 m，属城市道路主干道。拟建道路正下方有轨道交通1号线，属于珠江路站—锦绣大道站区间。道路施工需在1号线上方进行开挖卸载和回填加载，很可能造成地下地铁结构发生位移或变形，形成安全隐患。因此，需有效保护1号线珠江路站—锦绣大道站区间隧道，降低道路施工对该区间及邻近公路的影响。

1.2 工程地质与水文条件

拟建场地地貌单元为江淮丘陵，道路沿线穿越微地貌单元为岗地、坳沟及十五里河一级阶地，由第四纪冲积粘性土、粉土构成上覆主要土层。第1层素填土：层厚0.5～4.3 m，层底标高9.88～27.85 m，呈灰褐、灰黄、黄褐色等杂色，以松散状态为主，湿～饱和，局部地段含大量砖块、碎石等建筑垃圾及植物根茎等杂物。第2层粉土：层底标高6.48～16.90 m，分布厚度较深，呈灰褐、褐黄色等，可塑状态，局部软塑状态，很湿，含氧化物、铁锰质结核等，稍有光泽，无摇震反应，干强度及韧性中等。第3层粘土：层底标高13.20～24.37 m，呈灰褐、褐黄色，以可塑状态为主，局部硬塑，很湿，含氧化物、铁锰质结核等，稍有光泽，无摇震反应，干强度及韧性中等，主要分布于岗地与坳沟交界处[1-3]。

场地地表水主要为拟建道路中南段水塘、沟渠水，水深一般为0.7～2.5 m，水量一般。根据此次勘察资料，拟建场地地下水类型主要为两类[4]：一类为分布于第1层杂素填土、①1层淤泥及含淤泥质杂填土中的上层滞水，受大气降水、地表水入渗补给，排泄途径主要以蒸发及渗入低洼处为主，水量与地势高低、填土厚度、季节性降水有较大关系。因场地填土厚薄不均，在坳沟及一级阶地处水量较丰富。另一类为分布于第4层粉质粘土所夹粉土中的承压水，主要受地下径流及源头地表水入渗、侧向渗透补给，其水头标高一般为4～9 m，承压水头为1～2 m，具弱承压性。根据区域水质环境及此次水质分析试验资料，拟建场地地下水(土)对混凝土结构及对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。

2 道路施工设计方案

整个道路工程施工由2部分组成，即开挖卸载过程和回填加载过程。根据地质勘察报告和有关规范规定，该工程段处于明挖隧道上方，在道路开挖过程中，将影响下方明挖隧道顶板抗浮安全系数和竖向位移。在施工前已经做好了设计方案。第1部分进行道路整体开挖，在原有土层基础上分3个步骤进行，以地下隧道运行轨迹为中心，沿双向隧道宽度扩展到16.7 m为开挖面，进行深度为2.5 m的第1步开挖，然后以第1层开挖面为界进行道路的第2次、第3次开挖，开挖宽度以在建道路为界，开挖深度为1.5 m。第2部分为道路整体铺填，在第1部分开挖面的基础上进行原地表土层厚度的铺填，铺填土为黏土[5]。为了避免施工对地下隧道的影响，在铺填施工中注意施工机械的等效静力荷载不能超过设计允许值，对道路进行刚性铺修，设计厚度与其南侧的锦绣大道齐平，为2.5 m。在模拟过程中以一定的路面静力荷载代替，以实现模拟的方便性和真实性。

3 数值模拟与监测分析

为研究道路开挖卸载和回填加载2种工况[1]对下卧明挖隧道结构变形的影响[6]，采用数值模拟和现场监测的方法进行分析。

3.1 模型建立

采用Midas NX软件建立模型，模型边界长度为实际工程的3～5倍，尺寸为170 m×160 m×60 m(纵向×横向×竖向)。土层本构模型为修正摩尔库伦模型，隧道结构为弹性本构模型。边界条件由2部分组成，即模型土层与地下隧道边界控制、道路开挖面的边界控制。添加相关的静力荷载，自重和道路路面均布荷载，不考虑动力荷载和地下水作用。模型由4个部分组成，土层、隧道、既有锦绣大道和在建徽州大道。模型整体网络图如图1所示。

图1 模型整体网络图

3.2 模型参数与工况分析

结合模型基本情况和工况地质条件，地层参数采用实体单元模拟，明挖隧道采用二维板单元模拟。道路施工分为开挖卸载和铺填加载2个部分。根据地勘报告和现场情况，土层参数见表1，顶板、底板、中隔墙、侧板的结构属性见表2，道路施工工况见表3。

表1 土层参数

表2 顶板、底板、中隔墙、侧板的结构属性

表3 道路施工工况

3.3 有限元分析

3.3.1开挖施工对隧道及公路变形影响分析

开挖卸载工况下既有隧道和公路的位移云图如图2所示。

(a) 总位移

从图2可知，道路开挖卸载工况下，既有隧道和公路的水平位移较小，最大和最小水平位移出现在公路上，分别为0.19 mm和0.12 mm，隧道整体变形更小。在竖向位移上，公路邻近施工道路一侧表现为微小隆起，隧道整体呈隆起状态，在道路施工面范围内隆起值最大为1.64 mm，隧道从中部到两端的隆起值逐渐减小，到达端部，出现沉降。这是由于道路开挖卸载对隧道产生了变形作用。结合隧道和公路总位移云图，整体模型位移为正值，呈现隆起状态，隧道相对于公路来说，受道路施工影响更大，从而总位移更大。

3.3.2回填施工对隧道及公路变形影响分析

回填加载工况下既有隧道和公路的位移云图如图3所示。

(a) 总位移

从图3可知，道路回填加载下，既有隧道和公路的水平位移相对于开挖工况下有明显变化，最大和最小水平位移出现在公路和隧道上，分别为0.67 mm和0.32 mm。在竖向位移上，公路邻近施工道路一侧表现为较大沉降，并沿施工道路边缘向四周逐渐减小，后又呈现微小隆起状态，最大沉降值为4.10 mm；隧道整体呈沉降状态，在道路施工面范围内沉降值最大，在2.68～3.74 mm范围内变化，隧道从中部到两端沉降值逐渐减小，到达端部，出现隆起。这是由于道路回填加载对隧道产生了变形作用。结合隧道和公路总位移云图，道路回填加载工况下的邻近公路和隧道变形位移比开挖卸载下的影响大，2种工况对公路和隧道的变形影响是不同的，可根据此类规律在道路施工整个过程中，重点关注道路铺填加载阶段，采取相应控制措施[2]，降低结构变形，确保施工安全。

3.4 现场监测对比分析

根据该工程设计文件和技术要求，针对《合肥市轨道交通1号线珠江路站—锦绣大道站区段详细勘察报告》和相应规范，确定在建道路施工过程中，影响地下隧道结构最大的地方为隧道顶板处，由此确定监测方案，监测项目为隧道顶板变形位移，在道路设计路面线以下土体开挖：1次/8 h；回填完成1次/2 d，之后逐渐减小监测频率，直至道路施工完成且监测数据趋于稳定。整理和处理分析相关监测数据，隧道顶板的变形位移对比如图4所示。

(a) 隆起位移

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)[3]的规定，综合考虑1号线的实际情况，提出徽州大道施工对1号线影响的隧道结构水平和竖向位移控制标准为10 mm，此工程最大位移为3.68 mm，满足要求。城市轨道交通结构安全控制指标值见表4。

表4 城市轨道交通结构安全控制指标值

由图4和表4可知，隧道顶板隆起和沉降位移的监测值与模拟值基本相同，误差在允许范围内，说明此次数值模拟结果是可靠的。

4 结论

1)通过Midas NX数值模拟得到的道路开挖卸载和回填加载对既有隧道和公路变形位移与相关变形结果与在现场监测结果对比基本相符，说明数值模拟结果是可靠的。

2)道路施工对既有结构的变形主要表现在竖向位移上，对水平位移影响较小。

3)道路开挖对既有隧道和公路产生隆起位移，道路回填对其产生沉降位移，并且道路回填加载工况下对既有隧道和公路的变形影响更大。在实际施工中要重点关注，做好控制措施，确保相似工程的安全进行。