道路工程施工对共线地铁隧道结构的影响分析.pdf

福建材第7 期（总第2 6 7 期）岩土工程道路工程施工对共线地铁隧道结构的影响分析蓝燕金1，李继光1，蔡金山，郑新秀1（1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州3 50 1 0 8；2.福州轨道交通设计院有限公司，福建福州3 50 0 0 9）摘要为研究道路工程施工对共线地铁车站结构的影响，以福建省内某复杂道路工程为背景，利用有限元软件建立了三维模型模拟道路工程施工工况，分析了该工程施工全过程对共线盾构管片和地铁车站结构的影响。数值模拟结果表明，道路工程施工对共线地铁隧道结构的竖向位移影响较大，道路沿线的填方比挖方工况对盾构管片的影响更为明显，现场可采取轻质泡沫混凝土进行换填/回填，该方式能有效减小盾构管片的变形。关键词道路工程；地铁隧道结构；数值模拟；控制措施在建隧道中心线0引言随着城市建设的快速发展，城市轨道交通线、公路路网等不断完善，由邻近道路工程施工造成下卧轨道交通结构发生变形甚至破坏的问题不断涌现，严重影响地铁结构的安全和运营稳定。因此，利用一定的技术手段，分析道路工程施工对既有轨道交通结构变形和受力的影响，掌握变化趋势和变化量，对轨道交通结构保护是至关重要的 2。新建道路工程施工在开挖和填方过程会对周围土层和结构产生一定的影响。针对这个问题,多数学者采用数值模拟手段进行分析，如舒一展等 3 通过建立有限元模型，分析了庐州大道施工对合肥市地铁1 号线明挖隧道的影响，重点探讨了分层均布开挖和跳仓抽条开挖对隧道结构和周围地层的变形,结果表明跳仓抽条开挖法产生的影响较小。刘尊景等1 4 运用有限元模型研究了道路堆载和路槽开挖对下部地铁隧道的影响规律，研究表明道路堆载对地铁隧道的竖向变形影响比路槽开挖更为明显。刘斌 5 通过三维非线性有限元的模拟试验分析，探讨了挖方、施作桩基、桥面板施工等先后工况对既有隧道及其周围土体位移的影响，获取了既有隧道的变形规律，对既有隧道结构安全进基金项目：福厦泉国家自主创新示范区协同创新平台项目（3 50 2 Z CQ X T 2 0 2 2 0 0 2）；福建省建设科技项目（2 0 2 2-K-143）；福建省自然科学基金资助项目（2 0 1 9J05129）作者简介：蓝燕金（1 996 一）,女，研究生，硕士，助理工程师，主要从事岩土工程设计与咨询工作。行了影响评估,并为类似工程提供参考。目前,现有的研究较多是针对道路工程施工对邻近地铁隧道工程的影响，而针对道路工程与隧道工程共线情况下施工的影响分析较少，函需积累更多的工程经验。综上，以福建省内某复杂道路工程为背景，利用有限元软件MidasGTSNX建立三维模型模拟道路工程施工，分析该工程施工全过程对共线盾构管片和地铁车站结构的影响,针对道路工程施工带来的问题,提出针对性的技术控制措施，以期为福建省类似道路工程施工提供工程经验和理论指导。1工程概况1.1工程背景工程为新建道路工程，建设内容涉及路基处理、桥梁工程、管线工程和河道改迁工程。项目里程终点附近与盾构隧道和地铁车站共线，项目位置关系如图1所示。根据城市轨道交通结构安全保护技术规范CJJ/T202一2 0 1 3 对工程外部作业影响等级的判定，道路回填施工、桥梁工程对地铁车站结构的影响为一级，河道改迁工程施工对地铁车站结构的影响为特级。因此，利用有限元软件MidasGTSNX，全面分析该道路工程施工对共线地铁车站结构的影响。随路红线新建桥梁规划河道图1项目位置关系图现有河道在建车站49福建材2023年岩土工程1.2路基处理项目用地范围内路基较稳定,填方高度较小，一般不超过2 m，项目沿线存在5.3 2 8.9m的淤泥层，淤泥层上有2.7 8.6 m厚的杂填土或垃圾填土硬壳层，需对不良地基进行处理，具体处理情况如图2 所示。换填砂类土，平均厚度0.5m1.4河道改迁工程项目对现状河道进行改迁，设置宽为1 6.0 m的规划河道，其原始地面标高6.5m，河底标高2.1 m。施工过程中首先施工新河道，待新河道施工完成后，旧河道部分位置采用轻质泡沫混凝土回填，其余旧河道采用砂性土回填，河道改迁示意如图5所示。泡沫混凝土路基处理水泥搅拌桩CFG柱砂性土回填换填砂类士，平均厚度1 m泡沫混凝王回填现状河道规划河道换填砂类土，河闸平均厚度2 m新建道路图2路基处理平面图1.3桥梁工程规划：项目新建桥梁跨越规划河道，桥梁全长约3 0 m,桥宽约2 5m，拟建桥位平面图如图3 所示。桥台基坑同期施工，基坑侧壁均采用钢板桩（长9.0 m）进行支护。桥墩采用桩接承台板式墩,桩基础为钻孔灌注桩,混凝土强度为C30,桥墩和桥台的桩基持力层为砂土状强风化花岗岩，桩径为1.2 m，桩顶标高0.3 m，桩长6 6.0 m，单桩承载力550 0 kN，桥梁立面布置如图4 所示。现有地铁4 号线0规划河道图3桥位平面布置图立面2 0880.96+0X餐7 Y上满程系）1086-2-1416183032-3854-5666-68股计高程（m）50图5河道改迁示意2分析模型建立2.1模型边界条件及参数取值模型边界条件：本构模型方面各岩土体均采用硬化土模型。其中，对应硬化土模型，基于工程经验，软土取Es1-2:Eoed:Es0:Eur=1:1:1:5:8,黏土取Es1-2:Eed:Eso:Eu=1:1:1:5,砂土取Es1-2:Eed:Eso:Eur=1:1:1:3,其中,Es1-2为土体压缩模量,Eso为土体强度降至破坏强度的50%时的割线模量,Eoed为某一参考应力下主固结加载切线模量，E为某一参考应力下土体卸载再加载模量，参考应力一般取1 0 0 kPa；计算中不考虑地层的次固结及蠕变沉降；针对填方路段土体采用荷载进行等效，土体重度假定为1 8 kN/m,具体填方情况如图6 所示；根据建筑地基处理技术规范JGJ；1*营单位：前；此第1:50 0313031524968m板杂填土35930cm弄C15片石混粮土IL淤泥质土中砂317.7030.04粉质黏土4454400一卵石3.50車+莎土状强风化花岗岩68.30740图4 桥梁立面布置图79一2 0 1 2,水泥搅拌桩处理范围内复合地层压缩模量提高的倍数为1.3 3，CFG桩处理范围内复合地层压缩模量提高的倍数为4.2 2。泡沫混凝土路基换填厚度为8m2.0m，重度取=8 kN/m,压缩模量取4.51 0 kPa;道填方高度（等效荷载）沿箭头方向递减左侧填方高度约为1.56 m左侧等效荷载：1 8 x1.58-28.4kPa递减速率：0.2 55kPa/m填方高度1.2 m等效荷载：181.222kPa图6 道路工程填方与挖方情况填方高度1.5m等效荷载：18x1,5-27kPa挖方高度1.0 m福建材岩土工程第7 期（总第2 6 7 期）路通车荷载统一取2 0 kPa;模型结构中，基坑钢板桩、驳岸挡墙及盾构区间管片采用板单元，角撑采用梁单元，桥台采用实体单元，桩基和柱采用梁单元。各参数取值如表1 表3 所示。表1岩土参数取值表重度！黏聚力内摩擦角刚度参数/MPa土层(kN/m)c/kPa/。E50EoedEu）杂填土19淤泥夹砂16.6粉细砂18.5淤泥质土16.9粉质黏土19.9卵石22.0砂土状强风化花岗岩19.0表2材料参数表钢筋与重度弹性模量E/混凝土等级(kN/m)C3026.0C3526.0C4026.0C5026.0Q23578.5表3结构参数及强度等级表结构名类型地铁隧道管片板厚度3 50 mm基坑支护钢板桩板厚度3 6 mm实体桥台桩基河道驳岸挡墙2.2建立模型采用MidasGTSNX软件进行建模分析，模型如图7所示，尺寸为6 6 0 m270m82m（X 沿盾构区间方向Y垂直盾构区间方向Z土层厚度）。通车荷载道路填方回填河道建筑荷载规划河道填方荷载盾构隧道路基换填2道路境力道路挖方建筑荷载河道回填段桥面盾构隧道桥台通车荷载水泥搅拌桩桩基5.012.015.33.1022.024.85.139.19.7040.030.028.0MPa30000.031500.032500.034500.0206000.0结构参数桩单元直径1 2 0 0 mm板厚1 m河道驳岸支护现有河道杂填土淤泥夹砂粉细砂粉质黏土卵石砂土状强风化花岗岩(a)模型图在建地铁站车站围护结构路基换1 m范围现状河道规划河道河道驳岸支护CHG桂5.05.015.09.06.048.010.010.030.08.255.544.013.013.065.045.0 45.0135.080.0 80.0240.0泊松比V0.20.20.20.20.3强度等级C55 0.8Q235C30C30C30(b)模型结构图图7数值模型2.3施工工况根据工程设计，新建道路工程的施工工序如下：初始工况：生成隧道车站、现状河道及驳岸支护；工况1：水泥搅拌桩、CFG桩施工；工况2：桥台基坑支护；工况3：桥台基坑开挖、规划河道开挖及支护；工况4：桥台、桥面施工，基坑回填；工况5：现状河道支护；工况6：现状河道清淤、围堰抽水；工况7：现状河道回填；工况8：道路挖方；工况9：道路换填；工况1 0：道路填方；工况1 1：通车。3模拟结果分析3.1盾构管片位移变化数值模拟的各工况下位移数据如表4 所示。表4 盾构管片位移累计值施工X方向Y方向乙方向沉降乙方向隆起总位移工况工况10.03工况20.12工况3-0.64-3.23工况40.21工况5-0.44-2.98工况6-0.43-3.05工况71.93工况82.16-10.02工况92.13工况1 02.36工况1 12.38-18.53注：表中负号表示变形往坐标轴负方向。模拟结果表明：（1）针对管片水平方向的位移，隧道X方向位移最大值为2.3 8 mm，引起Y方向位移最大值为-1 8.53 mm，说明共线的道路工程施工对垂直于盾构区间前进方向的管片影响较大，对平行于盾构区间前进方向的管片影响较小。（2）针对管片竖向位移，工况3 桥台基坑开挖、规划河道开挖及支护时，引起左下方的区间管片发生一定隆起，隆起值为6.3 1 mm；工况7 现状河道回填后，管片51单位:mm-0.11-0.030.22-1.78-0.39-2.99-0.27-0.28-0.57-9.98-21.89-21.97-10.02-21.97-9.03-23.47-26.020.240.016.312.652.292.141.097.507.127.320.670.251.796.663.203.043.0621.9322.0122.0123.4826.66福建材岩土工程2023年发生较大沉降，累计沉降值为-2 1.8 9mm；在工况1 1 施加通车荷载后，区间管片沉降达到最大，最大累计沉降值为-2 6.0 2 mm，不满足规范城市轨道交通结构安全保护技术规范CJ/T202一2 0 1 3 的要求（控制值为 2 0 mm）。综上，道路工程的施工会改变周边一定范围内土体应力状态，引起土体和地铁结构的变形,尤其是道路工程与隧道共线段,道路沿线的桥梁基坑开挖、道路挖方会导致隧道管片发生较小的隆起，道路填方、河道回填及通车等会引起隧道管片发生沉降，甚至超过规范控制值。因此，应采取相应的措施以确保盾构区间的安全和稳定，且在项目施工时应对隧道进行实时监测，并严格执行相关保护规范的有关规定。3.2轨道高差分析盾构区间隧道顶部及底部竖向位移如图8 所示。由图8 可知，既有左、右线轨道纵向高差（矢度值）最大值分别为2.1 3 mm和1.6 0 mm，既有左、右线轨道横向高差分别为0.54 mm和2.3 4 mm，均满足规范城市轨道交通结构安全保护技术规范CJJ/T2022013的要求（控制值为 4 mm），说明道路工程施工主要导致共线盾构管片的整体变形。5T0-5-10F-15F20-25K38+900K39+000K39+100K39+200K39+300距隧道中心线的距离/m-3-2图8轨道竖向位移图523.3车站结构位移变化由于桥梁施工及现状河道回填等工况距离车站较远，对车站的影响较小，故仅提取工况8、工况9、工况1 0 和工况1 1 这4 个工况下车站结构的变形（如表5所示）。计算结果表明，工况8、工况9、工况1 0 对车站结构变形影响较小，工况1 1 施加通车荷载后，车站顶板靠近隧道处发生较大竖向位移，最大沉降值为-4.56 m,满足规范要求。表5车站结构位移累计值施工X方向Y方向Z方向沉降Z方向隆起总位移工况工况80.07工况9-0.09-0.07工况1 00.68工况1 11.39注：负号表示变形往坐标轴负方向。对比盾构管片和车站结构的变形值可以发现，道路工程施工使共线的盾构管片产生较大的变形，而车站结构变形较小，说明地铁结构整体刚度的大小会较大程度地影响其受力和变形。4道路施工控制措施依据原设计方案，对于填方1.5m处、河道回填附近一左线隧道顶一一左线隧道底一右线隧道顶右线隧道底20mm控制线K39+400K39+500隧道区间里程/m(a）纵向-10-510F-15-2025L-30Z方向位移/mm(b）横向单位:mm0.01-0.10-0.47-0.40-0.76-3.18-4.56道路填方处及隧道正上方河道回填段均采用砂性土回填/换填（如图9所示）。该方案在河道回填及通车荷载工况对盾构管片产生较大沉降，超过控制要求。为了确保地铁盾构管片的安全，对这些位置建议改用轻质泡沫混凝土进行回填/换填。隧道正上方河道回填附近河道回填段道路填方处120.010.000.040.11填方1.5m处3左线右线0.110.471.005.28图9道路施工控制措施示意相比原方案，采取措施后的变形差异仅在工况7 及后续施工工况，因此仅列出采取措施前、后工况7 及后续施工工况的管片位移累计值，数据如表6 所示。由表6可知，采用轻质泡沫混凝土对河道及道路进行回填/换填后,最大竖向位移减小约1 1 mm,能有效降低盾构区间管片的最大总位移，使得盾构区间结构的水平变形和竖向变形值均 2 0 mm，满足规范城市轨道交通结构安全保护技术规范CJ/T202一2 0 1 3 的要求。福建材岩土工程第7 期（总第2 6 7 期）表6 采取措施前后管片位移累计值对比汇总单位：mm施工工况X方向Y方向Z方向况降/Z方向隆起总位移旧1.93工况7新-1.04-4.432.16-10.02工况81.19日2.13-10.02工况9新1.192.36-9.03工况1 01.54-3.932.38-18.53工况1 11.32-7.23注：负号表示变形往坐标轴负方向。5结论基于数值分析软件MidasGTSNX，以福建省某复杂道路工程为背景，全面分析了该工程施工对共线盾构管片和地铁车站结构的影响，得到以下结论：（1）道路工程的施工会改变周边一定范围内土体的应力状态，引起土体和地铁结构的变形,尤其是道路工程与隧道共线段，在项目原方案挖填施工作用下，隧道管片累计变形超过规范控制值。（2）道路工程施工对共线盾构管片竖向位移的影响最大，其次是对垂直于盾构区间前进方向管片的影响，对平行于盾构区间前进方向管片的影响最+（上接第4 8 页）3.4.3豫东地区民居的建筑装饰美豫东地区传统住宅的主要装饰部分，大多集中在门楼、正房、穿堂楼等几个主要的建筑单体上，多聚集于房屋的屋面、屋身的主体部分及台基。而建筑房体的柱础则往往制作的比较简朴，大多仅以简单简洁的线条图案作为装饰；窗户的纹饰变化多种多样。头则是装饰的一个重要部分，即使是无砖雕图案的头，也会通过简单地改变线面变化而使其成为一个装饰图案。装修部分内容大致可以分为文字图案、植物纹样、动物纹样、人物故事、宝瓶和铜币等寓意吉祥的图案。总体而言，豫东地区楼院式民居类型以砖雕和木雕为主，装饰风格大多较为朴实、不张扬，与建筑本身的结构构件相契合,增添建筑整体美感；装饰题材多以寓意平安健康、福寿双全、荣华富贵等朴素愿望，以及品性高洁、积极进取，淡泊明志等个人追求。4结语地域性民居的独特风格应该是多种美学的综合，小；同时，道路工程施工主要导致共线盾构管片的整体变形。-9.98-21.89-8.59-21.97-4.448.40-21.97-4.448.44-23.47-10.03-26.02-15.281.090.637.507.357.126.987.327.010.670.5221.938.6322.018.4822.018.5223.4810.0326.6615.76（3）对比盾构管片和车站结构的变形值，道路工程施工使共线的盾构管片产生了较大的变形，而车站结构变形较小，说明地铁结构整体刚度的大小会较大程度上影响其受力和变形。（4）针对道路填方、河道回填砂性土等引起盾构管片竖向位移超过规范控制值的情况，建议采取轻质泡沫混凝土进行换填/回填，2 种方案盾构管片的竖向位移差值在1 1 mm左右,说明该措施能有效减小管片的变形。参考文献1罗青峰.道路施工对地铁隧道的沉降影响研究 D.南昌：华东交通大学，2 0 2 2.2李凯,朱波.新建道路对既有轨道交通隧道影响安全评估分析).测绘通报,2 0 1 9（增刊2）：1 6 8-1 7 1.3舒一展,胡俊.城市道路施工对明挖隧道影响的数值模拟研究.湖北理工学院学报,2 0 2 1,3 7（2）：4 3-4 7.4刘尊景,楼永良,邢玉芳,等.道路施工对下部地铁隧道影响的有限元分析.佳木斯大学学报（自然科学版），2013,31(6):842-846.5刘斌.新建公路施工对既有隧道结构有限元分析.建筑技术开发,2 0 1 5,4 2(5):3 8-4 1.基于建筑美学的角度，从商丘古城内的传统民居的整体布局、建筑形制、建筑结构、建筑装饰4 个方面，总结了豫东地区的民居建筑美学特征，期望为以后塑造具有豫东地域风格建筑提供相应的建筑美学视角，为地域性的建筑研究提供豫东视角。参考文献1陆元鼎.中国民居建筑 M.广州：华南理工大学出版社,2 0 0 3.2王苏琪,骆宇.建筑美学视角下的江淮传统民居建筑浅析D.美术教育研究,2 0 2 1（1 6）：1 0 4-1 0 6,1 0 9.3陈道山.商丘古城“天圆地方”格局的文化意境解读.规划师,2 0 1 1,2 7(7):1 0 4-1 0 7.4左满常,白宪臣.河南民居 M.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 2.5张宸铭,高建华,李国梁.基于空间句法的河南省传统民居分析及其地域文化解读.经济地理,2 0 1 6,3 6（7）：190-195.6 李晖,王文曦,何华,等.基于空间句法的藏传佛寺景观空间分析.华中建筑,2 0 2 0,3 8（1 0）：1 4 5-1 4 9.53