呂秋玲，劉 成

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著城市道路發(fā)展和大量交通工具的出現(xiàn)，城市交通變得越來越復(fù)雜。城市道路影響地下空間的正常運營時有發(fā)生，例如對地鐵及既有公路的變形影響。本文以合肥軌道交通1號線(珠江路站—錦繡大道站)區(qū)間段徽州大道的施工實例，重點分析其對地鐵及周圍環(huán)境的影響，旨在實現(xiàn)施工過程中的安全控制和優(yōu)化保護。

1 工程概況

1.1 研究背景與目的

擬建合肥市徽州大道(繁華大道—錦繡大道)呈南北走向，南與錦繡大道交叉，北過繁華大道，寬約60.0 m，雙向八車道，設(shè)計路面高程15.06～27.83 m，屬城市道路主干道。擬建道路正下方有軌道交通1號線，屬于珠江路站—錦繡大道站區(qū)間。道路施工需在1號線上方進行開挖卸載和回填加載，很可能造成地下地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生位移或變形，形成安全隱患。因此，需有效保護1號線珠江路站—錦繡大道站區(qū)間隧道，降低道路施工對該區(qū)間及鄰近公路的影響。

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

擬建場地地貌單元為江淮丘陵，道路沿線穿越微地貌單元為崗地、坳溝及十五里河一級階地，由第四紀(jì)沖積粘性土、粉土構(gòu)成上覆主要土層。第1層素填土：層厚0.5～4.3 m，層底標(biāo)高9.88～27.85 m，呈灰褐、灰黃、黃褐色等雜色，以松散狀態(tài)為主，濕～飽和，局部地段含大量磚塊、碎石等建筑垃圾及植物根莖等雜物。第2層粉土：層底標(biāo)高6.48～16.90 m，分布厚度較深，呈灰褐、褐黃色等，可塑狀態(tài)，局部軟塑狀態(tài)，很濕，含氧化物、鐵錳質(zhì)結(jié)核等，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，干強度及韌性中等。第3層粘土：層底標(biāo)高13.20～24.37 m，呈灰褐、褐黃色，以可塑狀態(tài)為主，局部硬塑，很濕，含氧化物、鐵錳質(zhì)結(jié)核等，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，干強度及韌性中等，主要分布于崗地與坳溝交界處[1-3]。

場地地表水主要為擬建道路中南段水塘、溝渠水，水深一般為0.7～2.5 m，水量一般。根據(jù)此次勘察資料，擬建場地地下水類型主要為兩類[4]：一類為分布于第1層雜素填土、①1層淤泥及含淤泥質(zhì)雜填土中的上層滯水，受大氣降水、地表水入滲補給，排泄途徑主要以蒸發(fā)及滲入低洼處為主，水量與地勢高低、填土厚度、季節(jié)性降水有較大關(guān)系。因場地填土厚薄不均，在坳溝及一級階地處水量較豐富。另一類為分布于第4層粉質(zhì)粘土所夾粉土中的承壓水，主要受地下徑流及源頭地表水入滲、側(cè)向滲透補給，其水頭標(biāo)高一般為4～9 m，承壓水頭為1～2 m，具弱承壓性。根據(jù)區(qū)域水質(zhì)環(huán)境及此次水質(zhì)分析試驗資料，擬建場地地下水(土)對混凝土結(jié)構(gòu)及對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。

2 道路施工設(shè)計方案

整個道路工程施工由2部分組成，即開挖卸載過程和回填加載過程。根據(jù)地質(zhì)勘察報告和有關(guān)規(guī)范規(guī)定，該工程段處于明挖隧道上方，在道路開挖過程中，將影響下方明挖隧道頂板抗浮安全系數(shù)和豎向位移。在施工前已經(jīng)做好了設(shè)計方案。第1部分進行道路整體開挖，在原有土層基礎(chǔ)上分3個步驟進行，以地下隧道運行軌跡為中心，沿雙向隧道寬度擴展到16.7 m為開挖面，進行深度為2.5 m的第1步開挖，然后以第1層開挖面為界進行道路的第2次、第3次開挖，開挖寬度以在建道路為界，開挖深度為1.5 m。第2部分為道路整體鋪填，在第1部分開挖面的基礎(chǔ)上進行原地表土層厚度的鋪填，鋪填土為黏土[5]。為了避免施工對地下隧道的影響，在鋪填施工中注意施工機械的等效靜力荷載不能超過設(shè)計允許值，對道路進行剛性鋪修，設(shè)計厚度與其南側(cè)的錦繡大道齊平，為2.5 m。在模擬過程中以一定的路面靜力荷載代替，以實現(xiàn)模擬的方便性和真實性。

3 數(shù)值模擬與監(jiān)測分析

為研究道路開挖卸載和回填加載2種工況[1]對下臥明挖隧道結(jié)構(gòu)變形的影響[6]，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法進行分析。

3.1 模型建立

采用Midas NX軟件建立模型，模型邊界長度為實際工程的3～5倍，尺寸為170 m×160 m×60 m(縱向×橫向×豎向)。土層本構(gòu)模型為修正摩爾庫倫模型，隧道結(jié)構(gòu)為彈性本構(gòu)模型。邊界條件由2部分組成，即模型土層與地下隧道邊界控制、道路開挖面的邊界控制。添加相關(guān)的靜力荷載，自重和道路路面均布荷載，不考慮動力荷載和地下水作用。模型由4個部分組成，土層、隧道、既有錦繡大道和在建徽州大道。模型整體網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

圖1 模型整體網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 模型參數(shù)與工況分析

結(jié)合模型基本情況和工況地質(zhì)條件，地層參數(shù)采用實體單元模擬，明挖隧道采用二維板單元模擬。道路施工分為開挖卸載和鋪填加載2個部分。根據(jù)地勘報告和現(xiàn)場情況，土層參數(shù)見表1，頂板、底板、中隔墻、側(cè)板的結(jié)構(gòu)屬性見表2，道路施工工況見表3。

表1 土層參數(shù)

表2 頂板、底板、中隔墻、側(cè)板的結(jié)構(gòu)屬性

表3 道路施工工況

3.3 有限元分析

3.3.1開挖施工對隧道及公路變形影響分析

開挖卸載工況下既有隧道和公路的位移云圖如圖2所示。

(a) 總位移

從圖2可知，道路開挖卸載工況下，既有隧道和公路的水平位移較小，最大和最小水平位移出現(xiàn)在公路上，分別為0.19 mm和0.12 mm，隧道整體變形更小。在豎向位移上，公路鄰近施工道路一側(cè)表現(xiàn)為微小隆起，隧道整體呈隆起狀態(tài)，在道路施工面范圍內(nèi)隆起值最大為1.64 mm，隧道從中部到兩端的隆起值逐漸減小，到達端部，出現(xiàn)沉降。這是由于道路開挖卸載對隧道產(chǎn)生了變形作用。結(jié)合隧道和公路總位移云圖，整體模型位移為正值，呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，隧道相對于公路來說，受道路施工影響更大，從而總位移更大。

3.3.2回填施工對隧道及公路變形影響分析

回填加載工況下既有隧道和公路的位移云圖如圖3所示。

(a) 總位移

從圖3可知，道路回填加載下，既有隧道和公路的水平位移相對于開挖工況下有明顯變化，最大和最小水平位移出現(xiàn)在公路和隧道上，分別為0.67 mm和0.32 mm。在豎向位移上，公路鄰近施工道路一側(cè)表現(xiàn)為較大沉降，并沿施工道路邊緣向四周逐漸減小，后又呈現(xiàn)微小隆起狀態(tài)，最大沉降值為4.10 mm；隧道整體呈沉降狀態(tài)，在道路施工面范圍內(nèi)沉降值最大，在2.68～3.74 mm范圍內(nèi)變化，隧道從中部到兩端沉降值逐漸減小，到達端部，出現(xiàn)隆起。這是由于道路回填加載對隧道產(chǎn)生了變形作用。結(jié)合隧道和公路總位移云圖，道路回填加載工況下的鄰近公路和隧道變形位移比開挖卸載下的影響大，2種工況對公路和隧道的變形影響是不同的，可根據(jù)此類規(guī)律在道路施工整個過程中，重點關(guān)注道路鋪填加載階段，采取相應(yīng)控制措施[2]，降低結(jié)構(gòu)變形，確保施工安全。

3.4 現(xiàn)場監(jiān)測對比分析

根據(jù)該工程設(shè)計文件和技術(shù)要求，針對《合肥市軌道交通1號線珠江路站—錦繡大道站區(qū)段詳細(xì)勘察報告》和相應(yīng)規(guī)范，確定在建道路施工過程中，影響地下隧道結(jié)構(gòu)最大的地方為隧道頂板處，由此確定監(jiān)測方案，監(jiān)測項目為隧道頂板變形位移，在道路設(shè)計路面線以下土體開挖：1次/8 h；回填完成1次/2 d，之后逐漸減小監(jiān)測頻率，直至道路施工完成且監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。整理和處理分析相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，隧道頂板的變形位移對比如圖4所示。

(a) 隆起位移

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)[3]的規(guī)定，綜合考慮1號線的實際情況，提出徽州大道施工對1號線影響的隧道結(jié)構(gòu)水平和豎向位移控制標(biāo)準(zhǔn)為10 mm，此工程最大位移為3.68 mm，滿足要求。城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值見表4。

表4 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

由圖4和表4可知，隧道頂板隆起和沉降位移的監(jiān)測值與模擬值基本相同，誤差在允許范圍內(nèi)，說明此次數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)論

1)通過Midas NX數(shù)值模擬得到的道路開挖卸載和回填加載對既有隧道和公路變形位移與相關(guān)變形結(jié)果與在現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比基本相符，說明數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

2)道路施工對既有結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)在豎向位移上，對水平位移影響較小。

3)道路開挖對既有隧道和公路產(chǎn)生隆起位移，道路回填對其產(chǎn)生沉降位移，并且道路回填加載工況下對既有隧道和公路的變形影響更大。在實際施工中要重點關(guān)注，做好控制措施，確保相似工程的安全進行。