上海西群河開挖對地鐵12號線的影響分析及保護方案設計

陳紅梅，顧珍苗

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

相關專業

上海西群河開挖對地鐵12號線的影響分析及保護方案設計

陳紅梅，顧珍苗

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

隨著城市地下空間的開發，河道穿越或鄰近已建地鐵盾構現象越來越普遍。以上海金橋通用地塊內的西群河開挖為例，詳細分析了因地鐵保護范圍內河道開挖，造成地鐵一側大面積土方卸載，對地鐵盾構變形的影響，并提出相應防護措施。

河道開挖；盾構；填土卸荷；變形；有限元；三軸深層水泥土攪拌樁

0 引言

目前，我國有很多城市都建有城市地鐵。河道在建設過程中，常常會遇到穿越或鄰近已建地鐵等問題。本文以上海金橋通用地塊內的西群河開挖為例，詳細分析了因地鐵保護范圍內河道開挖，造成地鐵一側大面積土方卸載，對地鐵盾構變形的影響，并提出相應防護措施。

1 工程概況

新開挖的西群河位于上海市浦東新區金橋汽車產業制造、研發、配套單元，西起楊家溝、東至外環運河，河道中心線長約1.0 km。其中西群河金穗路～申輪路段河道藍線位于12號線保護范圍內，此段河道藍線距12號線盾構邊線最窄處僅8 m，見圖1。由于距離較近，為保證區間隧道的安全和西群河新建工程的順利實施，需要詳細分析河道土方開挖卸載對區間隧道的影響。

圖1 地鐵12號線與巨峰路、金穗路、西群河相對關系圖（單位：m）

2 軌道交通12號線概況和地鐵保護范圍

軌道交通12號線為連接浦東、浦西的一條東西向的軌道線路，全長38.7 km，其中浦東新區境內長度為10.8 km，全線采用地下敷設方式。目前，12號線全線區間隧道已頂推完成，已經于2013年9月正式運營。

12號線（申輪路-金穗路）區間隧道位于巨峰路規劃中心線北側，隧道外邊線距西群河河道藍線最窄處僅8 m，金穗路巨峰路交叉口處隧道外邊線距西群河河道藍線9～14 m，該段隧道中心標高位于絕對標高-9.44～-10.52 m左右，地面標高為3.83～4.18 m左右。

根據上海市軌道交通安全保護區暫行管理規定，軌道交通安全保護區范圍為地下車站與隧道外邊線外側50 m內。在軌道交通安全保護區內進行下列作業的，其作業方案應當征得市運輸管理處同意，并采取相應的安全防護措施。

3 西群河（金穗路—申輪路）段護岸斷面設計

根據西群河河道藍線說明，西群河水利規劃要素為：河道底高程0.50 m，河底寬8.0 m，河口寬20.0 m，河道兩岸各控制6.0 m陸域控制帶。由于其規劃規模比較小，綜合考慮基地定位及周邊地塊規劃，兩岸護岸主要采用漿砌塊石直立墻式護岸，平面走向按規劃走線，具體見圖2。

4 西群河金穗路—申輪路段河道開挖對地鐵12號線影響分析

4.1 工程地質情況

根據巖土工程勘察報，各土層參數詳見表1。

圖2 西群河（金穗路—申輪路）斷面設計圖（單位：mm）

表1 地層參數表

4.2 計算說明

為保證地鐵12號線正常運行，需研究西群河金穗路～申輪路段土方的卸載在施工、正常運行等工況下，對地鐵12號線正常運行的影響。本次計算按最不利工況進行分析，取河道藍線距12號線盾構邊線最近處（凈距8 m）斷面，盾構隧道頂部最小覆土厚度為6.0 m，盾構上行線和下行線中心間距為12 m，盾構直徑為6.2 m，計算示意見圖3。

圖3 西群河與地鐵12號線計算示意圖（單位：mm）

4.3 河道施工建設方案

本工程護岸結構形式為帶樁基直立式擋墻結構，護岸施工工藝流程為：施工準備→測量放樣→護岸基坑開挖→護岸施工→墻后土方回填→河道開挖→外運堆土→開挖斷面測量→整形→防汛通道、綠化種植→工程驗收。

即先進行護岸基坑開挖，待護岸施工完畢及墻后回填土按要求壓實后，再進行20 m寬河道基坑開挖。施工時，施工單位應根據實際情況，采取分段、分時開挖基坑方法，并在盾構邊線附近按規范要求埋設若干個沉降觀測點，一旦儀器報警或發生異常，馬上停工及采取相應措施，并上報相關管理部門。

4.4 計算工況

本次計算工況分為施工期及正常運行期對軌道交通12號線區間隧道的影響。具體見表2。

表2 計算工況表

其中施工期考慮河道基坑開挖對隧道的影響，正常運行期考慮不同河水位對于隧道的影響。

4.5 計算模型

為了較準確的反映河道開挖施工時填土卸荷對盾構隧道的附加變形影響，計算采用彈塑性有限元分析方法，準確考慮各結構的空間位置和剛度大小，按實際施工工序，精確模擬河道開挖對盾構隧道的影響。

因河道與盾構隧道相對位置恒定，故計算采用巖土專用有限元分析軟件Plaxis進行三維有限元模型的平面計算，數值計算中充分考慮了河道開挖的影響范圍建立計算模型，其中模型長（x方向）95 m，深度方向（y方向）為30 m。數值計算中，土體采用實體單元進行模擬；盾構隧道采用板單元模擬，并根據截面進行剛度換算。其中，土體采用莫爾-庫侖模型模擬；圍護結構材料考慮為彈性受力階段，設為彈性材料，見圖4、圖5。

圖4 整體模型圖

圖5 土層有限元劃分圖

計算中考慮地下水的滲流影響，以及初始固結沉降和初始應力的影響，并通過施工階段來模擬施工工況。

4.6 施工階段無土體變形控制措影響分析

本工況計算西群河河道基坑開挖對鄰近12號線區間隧道的影響。計算中不考慮12號線區間隧道施工引起的工后沉降，隧道生成后將位移清零，計算基坑開挖引起的隧道附加變形。

（1）原始工序：施加初始地應力，位移清零（見圖6）；

（2）步驟一：駁岸基坑開挖，同時降水至混凝土駁岸基礎底標高（見圖7、圖8）；

圖6 原始工序計算模型

圖7 步驟一計算模型

圖8 步驟一盾構隧道累計變形

（3）步驟二：施工混凝土駁岸，然后回填駁岸上方填土（見圖9、圖10）；

圖9 步驟二計算模型

圖10 步驟二盾構隧道累計變形

（4）步驟三：開挖河道至設計底標高（見圖11、圖12）；

圖11 步驟三模型

圖12 步驟三盾構隧道累計變形

4.7 運營階段無土體變形控制措影響分析

本工況計算河道在正常運行階段，河水位從2 m變化到3.75 m的情況下，對區間隧道結構的影響。計算中不考慮河道基坑開挖引起的隧道變形，河道基坑生成后位移清零，計算水位變化引起的隧道附加變形，見圖13、圖14。

圖13 河道正常運行階段計算模型

圖14 河道正常運行階段盾構隧道累計變形

由上可知，若無土體變形控制措施，施工及運營過程中盾構隧道最大累計位移量為10.77 mm。

根據上海市城市軌道交通網絡建設標準化技術文件《地下空間土壓平衡盾構施工風險控制建設指導意見》第6.4.2地鐵保護標準，河道開挖施工時盾構隧道各方向位移量不得大于5 mm，無土體變形控制措施時，盾構隧道位移量不滿足變形控制要求。

5 控制土體變形措施方案設計

5.1 控制措施方案設計概況

由于計算得出的盾構隧道位移量不滿足要求，則必須采取一定的變形控制措施。

河道開挖過程中涉及大面積卸土，卸土面下方土體由于正應力消失而上拱變形，土體上拱變形引起下方土側移，從而導致臨近的隧道結構側移。因此可從兩個方面控制變形：一、河道卸土區正下方地基加固，提高土體強度及彈性模量，從而控制整個土體變形；二、河道卸土區與隧道間設置支護結構，以控制臨近隧道的土體變形。

經比較計算，若僅在河道卸土區正下方地基加固，如壓密注漿、旋噴樁、水泥土攪拌樁，加固效果一般，且加固土體量較大，費用較高；若在河道卸土區與隧道間設置支護結構，如樹根樁或灌注樁、水泥土攪拌樁墻、SMW工法樁墻，驗算看出，水泥土攪拌樁墻控制變形能力較好，且造價經濟合理。

因此，采用不同的樁徑、樁長和墻厚，試算得出造價合理且控制變形效果較好的方案，結果如下：

擬采用850@600三軸深層水泥土攪拌樁墻，攪拌樁樁長28 m，其中固化劑采用425號普通硅酸鹽水泥，水泥攪拌樁水泥摻量為20%，樁體無側限抗壓強度（28 d齡期）不小于1.6 MPa。樁墻在盾構隧道以東3 m外開始布置，墻厚5 m。水泥土攪拌樁墻平面布置見圖15。

圖15 水泥土攪拌樁墻平面布置圖（單位：mm）

5.2 取變形控制措施模型模擬施工步驟

（1）原始工序：施加初始地應力，位移清零；

（2）步驟一：施打水泥土攪拌樁（見圖16、圖17）；

圖16 步驟一計算模型示意圖

圖17 步驟一盾構隧道累計變形

（3）步驟二：駁岸基坑開挖，同時降水至混凝土駁岸基礎底標高（見圖18、圖19）；

圖18 步驟二模型

圖19 步驟二盾構隧道累計變形

（4）步驟三：施工混凝土駁岸，然后回填駁岸上方填土（見圖20、圖21）；

圖20 步驟三計算模型示意圖

圖21 步驟三盾構隧道累計變形

（5）步驟四：開挖河道至設計底標高（見圖22、圖23）；

圖22 步驟四計算模型示意圖

圖23 步驟四盾構隧道累計變形

（6）步驟五：運行階段，水位在常水位與高水位間周期變化（見圖24、圖25）。

圖24 步驟五模型

圖25 步驟五盾構隧道累計變形

采用水泥土攪拌樁墻后，隧道最大累計變形為4.81 mm。因此，水泥土攪拌樁墻作為河道開挖過程中的土體變形措施，能有效控制盾構隧道位移在允許范圍內。

6 結論

（1）根據上面計算結果可知，若無土體變形控制措施，河道施工及正常運行過程中盾構隧道最大累計位移量為10.77 mm＞5 mm，不滿足地鐵盾構變形控制要求。

（2）采用水泥土攪拌樁墻后，隧道最大累計變形為4.81 mm＜5 mm，滿足地鐵盾構變形控制要求。因此，水泥土攪拌樁墻作為河道開挖過程中的土體變形措施，能有效控制盾構隧道位移在允許范圍內。

[1]呂進,趙相業,顧全,等.城區穿河隧道工程安全施工關鍵技術探究[J].江蘇水利,2014(8)：19-21.

[2]蔡武林.臨近河道的地鐵深基坑設計分析[J].鐵道勘測與設計, 2012(6)：20-22.

[3]孟長江.漢口站出站廳深基坑支護設計與監測分析[J].巖土工程學報,2010,32(增刊1)：478-481.

[4]上海市軌道交通安全保護區暫行管理規定（滬交法 [2002]第555號發布，滬交法[2006]第442號修正）[Z].

國內首條低碳高速渝蓉高速通過考核驗收

近日，渝蓉高速公路建設綠色循環低碳公路主題性試點項目通過交通運輸部考核驗收，標志著渝蓉高速公路作為我國第一條完整意義上的全程廣泛應用綠色低碳節能新理念、新技術、新材料、新工藝建成的高速公路各項低碳節能指標全部達標合格。

渝蓉高速低碳示范工程作為重慶市唯一的低碳型交通基礎設施項目，參與了交通運輸部第一批節能減排綠色低碳公路主題性項目試點。在市交委的指導和支持下，渝蓉高速公司提出了“成渝新干線，低碳新高速”的建設新理念，全過程采用綠色低碳技術，全壽命實現綠色循環低碳效益，全線路進行綠色循環低碳管理，全方位保護沿線生態環境，以內源性減碳為重點，開展低碳全局優化，在規劃設計、建設施工、運營管理3個方面實施了16項重點低碳措施，實現了低能耗、低排放、低污染，建成一條安全之路、綠色之路、低碳之路、生態之路、景觀之路。

渝蓉高速已于2013年12月建成通車，取得了顯著的節能減排和經濟、社會效益，對推動我國高速公路建設科技節能減碳具有典型示范意義。

U455.43

B

1009-7716（2016）05-0239-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.067

2016-01-14

陳紅梅（1982-），女，廣西桂林人，工程師，從事河道整治工程設計。