劉 磊

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線區(qū)間對(duì)湖南大學(xué)工程館影響分析

劉 磊

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

研究目的：湖南大學(xué)工程館為國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)文物，側(cè)穿湖大工程館是長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線工程的難點(diǎn)之一。為分析盾構(gòu)側(cè)穿對(duì)湖大工程館的影響，本文分別采用經(jīng)典的Peck法和PLAXIS有限元法對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行了理論計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定了相應(yīng)的文物保護(hù)措施，同時(shí)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中列車震動(dòng)對(duì)工程館產(chǎn)生的影響進(jìn)行了理論分析。為同類工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

研究結(jié)論：在不采取保護(hù)措施的情況下，隧道開挖完成后，湖南大學(xué)工程館最大沉降在靠近盾構(gòu)區(qū)間一側(cè)，約2.8mm，與采用peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的2mm接近，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。湖大工程館前后約790m路段采用液體阻尼鋼彈簧浮置板道床，采取措施后地鐵引起的振動(dòng)速度降低至0.112mm/s,低于《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）規(guī)定的限值，湖南大學(xué)工程館的振動(dòng)速度維持現(xiàn)狀。

地鐵；盾構(gòu)隧道；文物；鋼彈簧浮置板道床；減震

1 引言

我國(guó)城市軌道交通建設(shè)日益增多，存在較多城市軌道交通線路需穿越既有鐵路情況。地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工必須保證鐵路安全和正常運(yùn)營(yíng)，目前類似且已經(jīng)成功的實(shí)例已不鮮見。本文就長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線湖阜區(qū)間盾構(gòu)施工對(duì)國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)文物湖南大學(xué)工程館的影響進(jìn)行了理論分析，并提出了相關(guān)保護(hù)措施為后續(xù)相關(guān)工程提供參考[1～4]。

2 工程概況

湖南大學(xué)站～阜埠河路站區(qū)間隧道出湖南大學(xué)站后，沿麓山南路向南前進(jìn)，在麓山南路與牌樓路交叉口從湖南大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)文物湖南大學(xué)工程館東側(cè)經(jīng)過(guò)，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。湖南大學(xué)工程館，今為湖南大學(xué)教學(xué)北樓。建于1947年，建筑面積7430㎡。著名建筑學(xué)家、建筑教育家柳士英設(shè)計(jì)，目前已被列為國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)文物。鑒于本段文物的重要性，通過(guò)對(duì)城墻的基礎(chǔ)資料的研究、對(duì)區(qū)間埋深進(jìn)行研究，對(duì)不同的隧道施工狀態(tài)對(duì)建筑物基礎(chǔ)的影響大小的研究，提出相應(yīng)的對(duì)策，達(dá)到對(duì)文物影響最小、可實(shí)施性強(qiáng)的目的，為盾構(gòu)施工提供技術(shù)保證。

地鐵隧道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，外徑6m，內(nèi)徑5.4m，管片厚度300mm。

湖南大學(xué)站～阜埠河路站區(qū)間出湖南大學(xué)站后沿麓山南路向南前進(jìn)，在下穿牌樓路后，在牌樓路與麓山南路交叉口西南角從湖南大學(xué)工程館東側(cè)經(jīng)過(guò)。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道與工程館基礎(chǔ)最小水平凈距約10.41m，最小豎向凈距約9.29m。盾構(gòu)區(qū)間隧道主要位于中風(fēng)化灰?guī)r地層。

地鐵區(qū)間隧道與工程館相互位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地鐵區(qū)間隧道與工程館相互位置關(guān)系圖

3 Peck法估算地表沉降

1）Peck經(jīng)驗(yàn)公式

其中：

Sx——橫向地表沉降量；

Vl——盾構(gòu)隧道單位長(zhǎng)度地層損失量，m3/m；

x——地表距離隧道中心線的水平距離；

Smax——隧道中心線處最大地表沉降量；

i——沉降槽寬度系數(shù)（隧道中心線至沉降反彎點(diǎn)的距離），；

R——盾構(gòu)半徑；

Z——盾構(gòu)中心處埋深。

采用peck經(jīng)驗(yàn)公式法分析湖南大學(xué)工程館沉降量詳見圖2。本次分析以隧道施工地層損失率為1%考慮。運(yùn)用peck公式計(jì)算得到工程館基礎(chǔ)的最大沉降量為2mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 工程館段盾構(gòu)引起的地面沉降隨距離變化圖

2）湖南大學(xué)工程館實(shí)體建筑距離盾構(gòu)結(jié)構(gòu)邊線約10.41m，理論計(jì)算結(jié)果顯示盾構(gòu)施工產(chǎn)生的沉降滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮到文物的歷史價(jià)值及盾構(gòu)施工可能存在的不確定性，施工時(shí)建議采取必要的防護(hù)措施。

4 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有鐵路影響數(shù)值分析

4.1 有限元模型及工況

本次模擬計(jì)算使用巖土工程專業(yè)軟件PLAXIS8.2進(jìn)行二維有限元模擬，計(jì)算將根據(jù)其單元特性選擇實(shí)體單元進(jìn)行模擬圍巖以及板單元模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)體。

本計(jì)算模型盾構(gòu)隧道直徑取6m，模型寬度約為70m，垂直方向?yàn)?5m，垂直方向從地表向下選取埋深，隧道埋深取11.3m，模型尺寸滿足邊界的影響。本報(bào)告主要分析盾構(gòu)隧道通過(guò)湖南大學(xué)工程館時(shí)，工程館及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性。模型中x軸方向?yàn)樗椒较?向左為正；y軸為垂直方向，具體模型見圖3。

圖3 盾構(gòu)隧道對(duì)湖南大學(xué)工程館影響分析模型

4.2 計(jì)算參數(shù)及工況

1）地層計(jì)算參數(shù)

圍巖參數(shù)按照《長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線一期工程KC-2標(biāo)段初步勘察階段巖土工程勘察報(bào)告》進(jìn)行選取如表1，管片力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 圍巖參數(shù)

表2 管片支護(hù)計(jì)算力學(xué)參數(shù)表

2）計(jì)算工況

計(jì)算中考慮先施作一條隧道，隧道施工模擬時(shí)共考慮10個(gè)工況，即隧道開挖至站臺(tái)1下方→開挖至站臺(tái)1與站臺(tái)2之間軌道下方→開挖至站臺(tái)2下方→開挖至站臺(tái)2與站臺(tái)3之間軌道下方→開挖至站臺(tái)3下方→開挖至站臺(tái)3與站臺(tái)4之間軌道下方→開挖至站臺(tái)4下方→開挖至站臺(tái)4與站臺(tái)5之間軌道下方→開挖150m完畢[6]。然后再模擬施工另一條隧道，同樣考慮10個(gè)工況。

4.3 盾構(gòu)穿越對(duì)地表沉降影響分析

隧道開挖后的地表變形及盾構(gòu)變形規(guī)律如下圖所示。

圖4 盾構(gòu)區(qū)間對(duì)工程館影響分析z向位移云圖

由圖4可知，隧道開挖完成后，湖南大學(xué)工程館最大沉降在靠近盾構(gòu)區(qū)間一側(cè)，約2.8mm，與采用peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的2mm接近，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 下穿段環(huán)境振動(dòng)影響分析

1）古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）規(guī)定,以水平方向的振動(dòng)加速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體的標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示。

表3 古建筑磚結(jié)構(gòu)的容許振動(dòng)速度（mm/s）

2）監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，湖南大學(xué)工程館的基礎(chǔ)處的水平振動(dòng)速度為0.05mm/s，承重結(jié)構(gòu)最高處的水平振動(dòng)速度為0.25mm/s,對(duì)照《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）的標(biāo)準(zhǔn)，湖南大學(xué)工程館的振動(dòng)速度現(xiàn)狀超標(biāo)0.10mm/s。

3）預(yù)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）的有關(guān)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)湖南大學(xué)工程館的承重結(jié)構(gòu)最高處的水平振動(dòng)速度為2.0mm/s,對(duì)照《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）的標(biāo)準(zhǔn)，湖南大學(xué)工程館的振動(dòng)速度超標(biāo)1.85mm/s。

4）減震措施及效果

鋼彈簧浮置板道床是將浮置板置于螺旋鋼彈簧隔振阻尼器上，浮置板的質(zhì)量設(shè)計(jì)得越大減振性能更好，采用固體阻尼時(shí)減振效果約為12～15dB，采用液體阻尼時(shí)減振效果可達(dá)20-25dB，低頻段減振效果更明顯。

圖5 鋼彈簧浮置板道床

鋼彈簧浮置板道床維修更換方便，無(wú)需動(dòng)用大型設(shè)備更換隔振阻尼器，不影響行車，適用于各種隧道結(jié)構(gòu)。隔振阻尼器使用壽命長(zhǎng)，可中置也可側(cè)置。但其造價(jià)較高，液體阻尼鋼彈簧浮置板單線每公里造價(jià)約2000萬(wàn)元。

本工程從湖南大學(xué)工程館東側(cè)12.9m（外軌中心線與工程館結(jié)構(gòu)邊線距離）處經(jīng)過(guò)，該路段（YAK29+360～YAK30+150）段（約790m）擬采用液體阻尼鋼彈簧浮置板道床，采取措施后地鐵引起的振動(dòng)速度降低至0.112mm/s,低于《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）規(guī)定的限值，湖南大學(xué)工程館的振動(dòng)速度維持現(xiàn)狀。

6 保護(hù)措施

根據(jù)前面分析，湖南大學(xué)工程館實(shí)體建筑距離線位最近水平距離約10.41m，豎向距離約9.2m，隧道盾構(gòu)施工影響較小，只要施工工法得當(dāng)，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地面沉降在二者容許的沉降范圍內(nèi)，不會(huì)影響文物建筑本體的安全。為了更好的保護(hù)文物，提出如下文物保護(hù)方案。

1）施工前，合理地進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)選型，控制好工作面土方開挖，保持工作面土壓力穩(wěn)定；

2）組織盾構(gòu)區(qū)間施工，首先右線先通過(guò)，施工過(guò)程中加強(qiáng)地表沉降及建筑傾斜監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)左線施工；

3）盾構(gòu)推進(jìn)的初始100m長(zhǎng)度作為實(shí)驗(yàn)段，根據(jù)地面變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及盾構(gòu)施工所采用的參數(shù)，不斷優(yōu)化調(diào)整，以使盾構(gòu)在全線推進(jìn)中，能隨地質(zhì)、物探、環(huán)境條件變化而動(dòng)態(tài)變化地、合適地確定施工參數(shù)，保證盾構(gòu)勻速、連續(xù)通過(guò)；

4）盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，對(duì)盾構(gòu)外徑及襯砌外徑間的環(huán)行空隙同步壓注漿液，減少盾尾通過(guò)后隧道外周圍形成的空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此而產(chǎn)生的負(fù)摩阻力；

5）隨時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，以改善盾構(gòu)前方土體的坍落和擠密現(xiàn)象。為防止管片環(huán)變形，必須使用形狀保持裝置等來(lái)確保管片組裝精度，同時(shí)充分緊固接頭螺栓；

6）施工的安全風(fēng)險(xiǎn)管理按照特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行控制管理和進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，制定施工期文物安全應(yīng)急預(yù)案；

7）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)布置、監(jiān)測(cè)手段與監(jiān)測(cè)頻率監(jiān)測(cè)重點(diǎn)包括：湖南大學(xué)工程館監(jiān)測(cè)和盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)測(cè)湖南大學(xué)工程館下盾構(gòu)區(qū)間具體的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)布點(diǎn)同正常的盾構(gòu)區(qū)間一致進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)布點(diǎn)處理，但頻率須加密，另外尤其還要對(duì)湖南大學(xué)工程館周邊進(jìn)行地面沉降觀測(cè)。

7 結(jié)論

本次研究結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿既有文物施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線一期工程的建設(shè)，不傷及各類文物保護(hù)單位的主體，不破壞長(zhǎng)沙“山、水、洲、城”的完整性，基本上不會(huì)影響長(zhǎng)沙歷史文化名城格局和風(fēng)貌；

2）按照文化遺產(chǎn)保護(hù)相關(guān)要求對(duì)建筑高度、體量、色彩、風(fēng)格等外觀風(fēng)貌等方面進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。在建筑高度、體量、色彩、風(fēng)格等方案，遵循與湖南大學(xué)工程館整體景觀風(fēng)格一致、與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的原則；

3）線路經(jīng)過(guò)湖南大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)文物工程館區(qū)段位于20m保護(hù)范圍內(nèi)，建筑基礎(chǔ)與區(qū)間隧道水平凈距約10.41m，豎向凈距約9.2m，經(jīng)計(jì)算地鐵線路對(duì)工程館影響滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，但為保證工程館在施工過(guò)程中的安全，制定了嚴(yán)格的保護(hù)措施及應(yīng)急預(yù)案；

4）本工程下穿湖南大學(xué)工程館文物路段，地鐵引起的振動(dòng)速度超標(biāo)量1.85 mm/s，擬采用液體阻尼鋼彈簧浮置板道床，措施實(shí)施后工程館處地鐵引起的振動(dòng)速度達(dá)標(biāo)，工程館的振動(dòng)速度可維持現(xiàn)狀。

[1]呂培林,周順華.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律分析[J].中鐵路道科學(xué),2007(2).

[2]高俊強(qiáng),胡燦.盾構(gòu)推進(jìn)和地表沉降的變化關(guān)系探討[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005(4).

[3]凌昊,仇文革等.雙孔盾構(gòu)隧道近接施工離心模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2010,9(31):2849～2853.

[4]田海波,宋天田.軌道交通9號(hào)線下穿鐵路工程風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007(1).

劉磊（1983-），男，河南洛陽(yáng)人，碩士，工程師，主要從事地下隧道領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與研究工作。