已建區間隧道上方堆載、卸載影響分析

趙 佳，劉祖運

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 上海市 200010)

濟南CBD商業中心位于濟南市東側，該地塊內分布著多條地鐵線路，和其他市政配套工程，如圖1所示。根據該區域規劃需求，后期將在CBD商業中心軸上設置景觀帶。該區域地鐵設計過程中，發現現狀地面標高已與詳勘報告中地質鉆孔孔頂標高有所不同，主要是隨著CBD商業中心軸上景觀帶的實施，使得中心軸下方已建成的盾構區間隧道面臨著上部覆土厚度增加或減少。上部覆土厚度的變化會引起管片受力變化，導致結構出現風險隱患。

圖1 CBD地鐵線路走向

針對可能會出現的這些問題，現選取中心軸下方呈南北向布置的歷下廣場站～綢帶公園站區間進行分析。

1 工程概況

歷下廣場站～綢帶公園站區間為單洞單線區間隧道，采用盾構法施工。區間隧道右線長860.9m、左線長793.7m。管片直徑為6.4m，管片厚度為0.3m。區間隧道在出歷下廣場站后，沿CBD中央軸下方向北敷設，經過解放東路、橫十路、橫八路進入綢帶公園站。

2 地質與水文情況

擬建場地地形由南向北逐步降低，孔口標高為76.3～96.8m。穿越地貌主要為低山丘陵地貌。區間隧道位于拆遷區域，區域表層堆積建筑垃圾。擬建場地從上到下土層為：①1素填土層、①2雜填土層、(14)1粉質粘土層、(15)1碎石層、(15)4粉質粘土層、(21)2中風化灰巖。

區間隧道穿越的土層主要為(21)2中風化灰巖，隧道頂位于(21)2層頂下2.6m。本區間揭露的中風化灰巖主要為：青灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造，取芯呈柱狀，長柱狀，少量碎塊狀，錘擊聲脆不易碎，局部溶蝕發育，巖體較為完整，取芯率70%～95%，RQD=60～90，巖體基本質量為Ⅲ級。飽和單軸極限抗壓強度為26.6～79.41MPa，平均43.82MPa，軟化系數0.84，屬較硬巖。

本工程該區段沿線未揭露地下水，抗浮設防水位標高按60.0m 選用，位于隧道結構下方。防滲設計水位按自然地面標高考慮。

3 區間堆/卸統計

在結構施工圖設計時，隧道縱斷面圖中所選用的地面線依據詳勘報告提供的地質鉆孔孔頂標高得到。隨著后期中心軸上景觀帶按照規劃標高實施，區間隧道將面臨上部覆土厚度增加或減少(即加載或卸載)的問題。

圖2 歷～綢區間縱斷面圖

根據中心軸后期規劃標高，將歷～綢區間隧道上需面臨的堆、卸載高度以及具體位置進行匯總，如表1、表2所示。根據匯總結果可知，對于已建成區間隧道，將面臨卸載高度最大達到8.9m，位于里程SK0+793.000處；將面臨堆載高度最大為4.5m，位于里程SK0+298.770處。

表1 區間隧道卸載高度統計表

表2 區間隧道堆載高度統計表

4 保護要求

對調研到的北京、上海、杭州、蘇州等城市執行的保護條例進行匯總，如表3所示。根據調研結果可知，對于地下工程(車站、隧道等)，結構外邊線50m內為控制保護區，結構外邊線5m內為特別保護區。

5 變形控制要求

根據《盾構隧道襯砌結構病害治理技術指南》(Q-SD-WBZ- FB-SS-GWJ01-2014)要求，隧道結構變形控制標準如表4所示。

6 計算分析

采用有限元分析軟件Plaxis進行二維有限元建模，進而分析隧道上部覆土增加或減少(即加載或卸載)對已建隧道產生的附加變形。

(1)計算分析模型

針對區間隧道面臨填土、卸土兩種外部荷載改

表3 全國各城市地鐵保護條例統計表

表4 變形控制標準

變的方式，分別建立填土計算模型和卸土計算模型。兩個模型均按照隧道頂位于中風化灰巖層頂下2.6m進行計算。填土計算模型中上部覆土厚度取為9.6m，如圖3所示。卸土模型中，隧道上部覆土厚度取為14.5m。

圖3 填土計算模型圖

為了減小邊界效應對隧道結構的影響，兩個模型的計算寬度均取60m，深度均取地面以下60m。兩個計算模型中，土層均采用摩爾-庫倫模型模擬，土層厚度以及物理力學參數取值均一致；隧道襯砌均采用梁單元模擬，管片直徑取為6.4 m，管片厚度取為0.3 m，隧道結構周邊土體均采用細密單元加密。計算分析模型左右兩側設置水平向鏈桿，底部設置垂直向鏈桿，上部為自由邊界。

(2)計算結果分析

對于填土(加載)工況，區間隧道上部覆土厚度為9.6m，根據管片配筋分類：埋深<10m時為淺埋管片，其中主筋配筋123.7kg/m3；埋深10～15m時為中埋管片，其中主筋配筋143.5kg/m3；埋深15～20m時為深埋管片，其中主筋配筋163.2kg/m3；埋深>20m時為超深埋管片，其中主筋配筋188.8kg/m3，該區間管片選用中埋管片。若填土高度≤10m，管片配筋需增至深埋，配筋增加量為13.7%；若10 m<填土高度≤20m，管片配筋需增至超深埋，配筋增加量高達31.7%。綜合工程安全性、經濟性等因素，計算模型模擬了隧道上方填土3.0m、填土5.0m、填土10m三個堆載工況。

對于卸土(卸載)工況，區間隧道上部覆土厚度為14.5m，為了防止上部壓載不足導致已建隧道發生上浮，上部覆土至少有1倍的隧道直徑(6.4m)厚度，則上部可卸厚度≤8m，根據實際情況，計算模型模擬了隧道上方卸土3.0m、卸土5.0m、卸土8.0m三個卸載工況。

將六個工況計算得到的已建隧道結構附加變形值進行匯總，如表5所示。

表5 各種工況下已建隧道變形表

根據計算結果可知，對位于中等風化灰巖中的隧道結構，在其上部進行填土3～10m、卸土3～8m，即使不采用加固等保護措施，隧道結構縱向沉降與隆起、隧道收斂值均能滿足結構變形控制要求。

7 結論

(1)隧道結構施工完成后，需控制周邊場地的堆載、卸載高度。為保證已建成的隧道結構安全，當隧道頂位于中等風化灰巖下2.5m時，堆載高度不得大于10m、卸載高度不得大于8m。

(2)若在區間隧道周邊進行景觀或地下空間開發，已建隧道上方堆載、卸載高度大于上面提到的高度時，則需根據區間的實際建設、運營情況采取相應的保護措施，避免隧道結構產生過大變形甚至破損、管片接縫處張開、滲漏等損傷。