市政管线近距离上跨既有地铁车站影响分析及保护措施

龚宇翔

（中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院，河南 郑州）

由于近年极端天气频发，特别是郑州7.20 暴雨后，城市排水工程进行整体提升改造，由于城市轨道交通车站基本位于市政道路十字交叉口，市政排水工程沿市政道路敷设，后续新建或改造相应排水工程与既有地铁的立体交叉数量也日渐增多，因此排水工程在上跨或邻近地铁进行施工时对地铁结构变形影响的预测及分析至关重要。新建排水工程施工伴随着基坑的开挖和回填,会导致地铁周围土层加载和卸载，导致周边土层发生变形，从而导致地铁结构产生变形。通过数值模拟分析鼎力街（文治路-灵动路）雨水涵邻近地铁施工对地铁结构产生的位移、结构内力及远期抗浮等方面的影响，进而将风险因素反馈设计单位，设计过程中采取针对性措施进行风险控制，进而指导后续施工，尽可能降低外部作业对地铁结构及运营的影响，对于后续市政工程涉及轨道交通保护外部作业具有十分重要的借鉴意义。本论文以郑州市管城回族区鼎力街（文治路-灵动路）雨水涵上跨轨道交通规划16 号线停车线（已与4 号线姚庄站同期实施）项目作为研究题材，分析大跨度雨水涵外部作业在对地铁结构的位移、结构内力、防水及远期抗浮等方面的影响，同时依据规范及地方轨道交通保护条例提出控制外部作业风险、保障运营安全的措施建议。

1 项目概况

1.1 项目介绍

依据郑州鼎力街（文治路-灵动路）管线规划、郑州金岱科创城区域雨水系统规划图，鼎力街下方规划有2-3.0×1.4 m 雨水涵，需要转输鼎瑞街和鼎昌街及相交支路的雨水，汇水面积约112.6 ha，现状文德路、文达路雨水涵已建，鼎瑞街雨水入河口2-1.6×1.6 m 雨水涵已建成，且不具备调整雨水涵路由及高度的条件。通过调查，鼎力街在强降雨时期存在较严重积水问题。为解决片区排水及下游出路问题，急需实施鼎力街（文治路-灵动路）段规划雨水涵。

新建郑州鼎力街（文治路-灵动路）雨水涵与轨道交通规划16 号线停车线十字交叉，新建鼎力街雨水涵上跨轨道交通规划16 号线停车线。雨水涵上跨规划16 号线停车线平面图见图1。

图1 雨水涵上跨轨道交通规划16 号线停车线平面图

1.2 规划16 号线停车线概况

规划16 号线停车线为地下两层双跨框架结构，结构宽度10.7 m，高度14.2 m。采用明挖法施工，围护结构采用D1000@1300mm 钻孔灌注桩+内支撑。雨水涵上跨位置16 号线停车线施工期间设置钢便桥保障交通，钢便桥范围桩顶冠梁尺寸1 000×1 000 mm，根据设计文件，停车线围护桩未参与抗浮，考虑雨水涵施工完成后，停车线结构上部覆土荷载减小，为满足结构抗浮要求，16 号线停车线两侧共8 根围护桩需锚入雨水涵结构。由于车站整体架构较长，16 号线停车线结构与4 号线姚庄站结构连接处设置1 道变形缝。上跨位置雨水涵距离停车线结构顶板防水保护层外皮0.29 m，与停车线围护桩桩顶冠梁冲突，雨水涵实施期间需对停车线冠梁进行凿除。根据停车线结构现状调查情况，停车线结构未发现破损、孔洞与蜂窝麻面等情况，右线侧墙有明显湿渍情况，底板有明显积水；左线侧墙偶见湿渍情况，底板局部位置积水。

1.3 雨水涵上跨规划16 号线停车线位置关系

新建鼎力街（文治路-灵动路）雨水涵以双孔框架结构形式上跨规划16 号线停车线结构，上跨角度为90°，穿越16 号线停车线结构长度为10.7 m，与停车线结构净距仅0.29 m，同时需破除停车线围护桩顶部冠梁。根据地勘报告显示，上跨段雨水涵地层为回填层。雨水涵明挖采用分块施工、两端对称、由远及近开挖施工方法，在运营天窗期采用静力切割配合局部剔除混凝土凿除与雨水涵冲突部分冠梁。图2 所示为交叉区域剖面位置关系。

图2 雨水涵上跨规划16 号线停车线剖面位置关系图

1.4 工程地质及水文地质条件概况

本工程地处郑州市东南部，所在地区位于黄河冲洪积平原西南部的边缘地带，地形地貌属与黄河冲积平原，地形较平坦，地形地貌条件较简单，沿线地层上部为新生代第四系地层为主，岩性为黄河冲积物，主要为粉土、砂类土等。根据地勘钻探、标准贯入试验结果，结合室内土工试验资料，地基土按岩性及力学特征分层后，从上到下分层描述分别为：1 填筑土（Q4ml）、2 细砂（Q4al+pl）、2-1 粉土（Q4al+pl）、3 粉土（Q4al+pl）、4 细砂（Q4al+pl）层。

场地内地下水为第四系覆盖层孔隙水。场地地下水埋深约10-13 m，位于规划16 号线停车线顶部以下约6.9 m，上跨处停车线结构位于细砂、黏质粉土层。

2 雨水涵明挖上跨对规划16 号线停车线影响分析

2.1 近距离明挖上跨地铁结构风险分析

明挖基坑近距离上跨地铁结构，如措施不当，容易造成车站结构沉降、损伤，影响线路运营安全[1]。根据规范要求，本工程开工前需依据专业能力采取有限元分析软件分析外部作业对既有轨道交通结构的影响范围及影响程度，根据分析结果，通过采取压重、卸载、撑顶、加固等措施，并通过加强监测，及时反馈监测数据，惊醒动态调整，使外部作业对地铁结构产生的风险可控。

通过分析本项目的对既有轨道交通结构产生的风险主要为：（1） 开挖卸载导致地铁结构覆土荷载减小，进而引起地铁结构上浮，上浮超过规范要求后危及运营安全；同时由于不均匀受力产生结构裂缝；（2） 雨水涵施工过程中需切除地铁围护结构桩顶冠梁，切除过程中可能产生振动，进而破坏结构外贴防水层，引起地铁结构渗漏水；同时振动噪声易造成乘客不适，降低运营服务质量。（3） 雨水涵基底距离地铁结构顶部防水层近0.14 m 左右，开挖过程中极易造成防水保护层及防水层破坏。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）、《影响城市轨道交通外部作业技术标准》DBJ41T262-2021 中规定：外部活动对轨道交通既有结构的附加影响预测，应根据两者之间的空间关系、工程地质和水文地质条件，并结合轨道交通既有结构及设施的现状、外部活动的规模和施工方法等因素[2]，根据地铁结构的接近程度和外部作业的工程影响分区综合确定。

本工程新建雨水涵横穿规划16 号线停车线结构，根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）、《影响城市轨道交通外部作业技术标准》DBJ41T262-2021 判定，拟建雨水涵明挖施工对轨道交通16 号线停车线结构外部作业影响等级为特级，见表1。

表1 外部作业影响等级划分

2.2 数值模拟分析外部作业对既有地铁结构的影响

采用定量分析的方法进一步预测雨水涵明挖上跨对规划16 号线停车线的影响范围及影响大小，对交叉区域运用岩土工程计算软件Midas-GTS-NX 建立三维模型，模拟计算新建雨水涵明挖施工过程对规划16 号线停车线结构变形和受力的影响[3]。土体采用“修正莫尔-库伦”弹塑性模型模拟，既有车站板墙结构及新建隧道结构均采用线弹性面单元模型模拟。边界条件对计算土体的底面约束竖向z 的位移，侧面分别约束横向x、纵向y 的位移，地表为自由面[4]。施工工况按照外部作业施工工序进行各工序的模拟计算，通过有限元软件的“激活单元、钝化单元、改变网格属性”等方法模拟基坑开挖、结构施工、覆土回填等各阶段对轨道交通结构的影响。数值分析计算模型见图3。

图3 三维有限元数值分析模型

根据数值分析模拟计算结果，雨水涵明挖上跨施工引起的规划16 号线停车线变形主要表现为沉降位移，明挖上跨施工结束后引起的规划16 号线停车线结构最大沉降值为1.07 mm，位于交叉位置下方停车线结构北侧顶板处；对停车线结构水平向影响相对较小，为-0.031 mm；图4 所示为停车线结构位移云图。根据规范及郑州市相关轨道交通管理办法，轨道交通结构的位移限值为±5 mm，数值模拟计算位移均满足相关规范要求。根据数值模拟结果，本项目临近既有地铁施工方案可行，对停车线结构的影响整体可控。

图4 雨水涵明挖施工引起停车线结构竖向、水平向位移变形云图

3 雨水涵明挖上跨规划16 号线停车线保护措施及实施效果

为最大限度的保证上跨处地铁结构的运营安全，根据定性及定量分析结果，在雨水涵实施中需采取以下防护措施，进一步降低工程实施风险[5]：

（1） 交叉范围冠梁采用静力切割配合局部剔除混凝土，破除作业在运营天窗期施工，同时基底以上500 mm 范围内采用人工开挖，避免因施工产生较大震动对结构及结构外包防水产生破坏影响。

（2） 加强上跨范围雨水涵结构施工质量控制，保证雨水涵主体结构质量。雨水涵结构变形缝设置应避开轨道交通结构平面投影范围，并严格按照设计图纸要求进行变形缝施工；雨水涵使用期间，产权单位应定期对雨水涵进行检修，确保雨水涵使用期间无渗漏水情况发生，避免因渗漏水改变轨道交通结构周围土体结构性质，进而改变结构的受力状态，对停车线结构安全产生影响。

（3） 施工严格结合水文地质情况完善明挖施工控制措施，合理制定施工工序。基坑开挖过程中，控制超挖，并做好基坑内排水，在雨季施工时更应加强基坑内积水抽排，并做好基坑顶地面的排(截)水系统及局部的地面硬化措施，以防地面水渗漏，采取合理有效的排水措施，以确保基坑安全。同时应提前备好沙袋等应急物资，以应对水位上涨引起的结构上浮。上跨施工期间安排专人对规划16 号线结构影响区域现场盯控。

（4） 雨水涵结构施工完成后，基坑回填压实选用轻型压实机具，禁止采用大型震动压实设备。

（5） 加强施工过程中变形监测。监测数据应及时进行整理和分析，及时报告施工主管，使监测成果能及时指导施工。出现异常时能成为分析问题和采取相应措施的主要依据。为此，要求施工单位严格按照设计要求进行监测工作，不得有任何延误。当达到监测表中预警值时，立即停止施工，并采取有效措施。

4 结论

（1） 定性分析结果表明，新建鼎力街（文治路-灵动路）雨水涵近距离上跨规划16 号线停车线结构外部作业风险等级判定为特级；根据数值分析计算结果，采用明挖法上跨对既有地铁结构影响在可控范围内。

（2） 在采取交叉范围冠梁静力切割、上跨范围雨水涵结构施工质量控制、合理制定施工工序、基坑回填及压实要求、加强变形监测等保障措施后，可满足新建雨水涵近距离上跨地铁结构的运营安全。

（3） 根据雨水涵外部作业期间第三方监测单位对停车线结构的监测结果，停车线结构在雨水涵施工期间最大沉降值为2.2 mm，满足相关规范3-10 mm 限值要求。