路基填土對濱海軟土地層盾構隧道的影響及防控

劉勝利 肖中林

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010; 2.中交海峽建設投資發展有限公司，福建 福州 350015)

0 引言

隨著我國各大中城市城區范圍的不斷擴大，外圍副中心、衛星城概念不斷提升，為加強其與城市中心區的快速聯系，城市軌道交通快線建設逐漸成為了城市發展規劃中的重要部分。因此，作為一種快速高效的交通手段，城市軌道交通又掀起了新一輪的建設高潮。目前，北京、廣州、深圳等在軌網規劃中都有快線系統布局，越來越多的城市也開始重視快線的建設，而且對軌道交通的出行時空目標也提出了更高要求。盾構隧道具有技術成熟、施工速度快、自動化程度高以及對環境擾動小等特點，被普遍用于城市地下軌道交通的修建[1]。福州濱?？炀€線路總長62.2 km，采用盾構法修建，設計時速140 km/h，起于蓮花站，終于大數據站，沿途工程環境復雜，與規劃福海路線路重疊長度約3.9 km，下穿6處規劃河道、5座橋涵，另有1.6 km下穿規劃中央公園路，場地現狀主要為基本農田、池塘、道路及民房。

區段涉及多處土方填挖，其中，規劃福海路路面標高為6.26 m～9.18 m，現狀地面標高為0.34 m～9.36 m，規劃路面大部分區域比現狀地面高1.5 m～4.4 m。規劃與現狀標高相差較大，根據既有經驗，地鐵隧道建成后在上方進行大規模的填挖作業，會造成隧道變形，引起質量事故，已有多次相關工程案例報導。如林永國等[2]給出了上海打浦路越江隧道某一區段因地面堆載而出現較大沉降的監測資料，資料顯示自20世紀70年代初～80年代后期，隧道上方一共經歷了四次堆載施工，總的堆載大小達到70 kPa；經過四次加載，隧道總的變形已高達110 mm，存在極大的安全隱患。王旭[3]報道了珠江三角洲地區某盾構隧道上方出現大面積堆土案例，堆土高3 m～4 m，后續處理過程中，雖已及時清運地面堆土，但左、右線隧道仍分別出現22.8 mm,16.2 mm的豎向沉降；根據后續的持續觀測，地面卸載后，左線隧道出現5.6 mm回彈，而右線隧道回彈量為6.4 mm；由于處理及時、得當，堆土區域隧道并未出現破損。當前，針對該問題的研究主要采用理論分析、數值計算、模型試驗及現場測試等手段進行。如魏綱等[4]依據研究成果,將地面堆載對臨近隧道影響的研究方法歸納為:現場實測法、理論分析法、數值模擬法和模型試驗法。對發展概況及研究進展進行綜述,提出需進一步研究的課題和研究思路；文獻[5]基于理論研究構建了盾構隧道—圍巖相互作用解析計算模型，可用于快速計算鄰近施工擾動對既有隧道結構變形及內力的影響；施成華等[6-8]則采用數值分析模擬既有隧道受施工擾動的過程，并探討了不同土體加固方式對控制既有隧道變形的效果。本文以福州濱海快線工程為背景，基于數值分析手段探討后期地表土方填筑對下臥盾構隧道的影響，并分析采用樁板結構控制既有線變形的效能，可為類似工程案例提供參考。

1 工程概況

福州濱海快線出蓮花山站向東南行進，經濱海西站后沿規劃福海路下接大數據站，其中4.3 km位于規劃福海路下，如圖1所示。主體隧道采用盾構法施工，盾構掘進方向為大數據站往濱海西站。區間隧道覆土埋深約8.84 m～27.17 m，主要穿越地層為淤泥質土②-4-1，(含泥)粉細砂②-4-5、殘積砂質黏性土⑤-2、全風化花崗巖⑥-1、(含砂)粉質黏土③-1-2、粉質黏土③-1-1、碎塊狀強風化花崗巖⑦-2、中風化花崗巖⑧-1、(含泥)粗中砂③-3、(泥質)粉細砂③-2、粉質黏土②-4-2、粉細砂②-2-1。區段涉及到的土層相關力學性質如表1所示。

在地鐵隧道建成后，后期規劃路面大部分區域比現狀地面高1.5 m～4.4 m，需要分析后期土方堆載對既有隧道結構的影響以及提出相應的處置措施。

2 土方填筑引起下臥隧道變形

選取典型斷面進行計算分析，模型示意圖如圖2所示。隧道直徑8.3 m，兩隧道之間凈距7.0 m，拱頂埋深16.5 m。地層條件由下而上分別為粉質黏土、粉砂(泥質)、淤泥質土、粉細砂(含泥)、粉細砂及雜填土，隧道主要處于淤泥質土和粉細砂地層中。地表填土厚度分別按回填1 m,2 m,3 m,4 m和5 m路基5個工況進行計算。

表1 土層相關力學參數

隧道管片混凝土等級為C55，彈性模量為35.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。計算中，先進行初始地應力平衡，而后進行地鐵盾構開挖以及支護結構的施作，再進行地表路基填筑的模擬。圖3為不同填筑厚度下隧道結構的位移云圖。不同工況計算得到的最大沉降如圖4所示。

由圖可知，地表土方填筑會引起下臥盾構隧道產生不同程度的沉降，拱頂沉降大于拱底的。隧道結構最大位移隨著填土厚度的增加線性增加。不同填土厚度下引起的最大沉降分別為-17.844 mm，-44.896 mm，-73.036 mm，-99.600 mm及-124.526 mm。根據規范[9]要求及以往工程經驗，鄰近施工擾動引起既有隧道結構的最大變形的預警值為10 mm，控制值為20 mm。由此可見，5種填土厚度導致的結構變形均已超出預警值，僅在回填厚度為1 m時結構變形尚處于控制值之內，給工程順利施工帶來嚴峻考驗。

為此，針對該工程案例，需提供相應的處置措施以控制既有隧道的過量變形，減輕地表路基填筑帶來的不利影響。

3 樁板結構控制效果分析

針對該問題，在參考國內外相關工程經驗的基礎上，考慮采用樁板組合結構分擔上覆土壓力，從而減輕作用于下臥隧道的荷載，以達到控制隧道變形的目的。整體模型示意圖如圖5所示。

模型中，在2條平行隧道之間設置3排樁基礎，每排6根，樁基直徑1.5 m。樁頂設置梁板結構承受部分上覆土壓力的作用，縱梁截面尺寸為2.0 m×1.5 m，板厚0.6 m。樁板結構為鋼筋混凝土結構，混凝土等級C35，計算中彈性模量取為31.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。計算過程中先完成初始地應力平衡，而后完成既有地鐵隧道結構施工，再完成樁板體系施工，最后進行地表不同厚度填土影響分析。

圖6，圖7分別為不同填筑厚度引起地下結構的豎向位移云圖及隧道最大位移與填土厚度的關系曲線。由圖可知，地下結構的變形隨著地表填土厚度的增加而增加，未進行土方填筑時，在原位應力場作用下導致隧道結構最大位移僅為-3.570 mm，填筑厚度為1 m～5 m時引起的最大變形分別為-6.996 mm，-10.766 mm，-14.254 mm，-17.311 mm及-17.311 mm。相較于未施作樁板結構的情況(見圖4)，可以看出在樁板結構的保護下，地表填土對既有隧道的影響較為有限，且最終趨于穩定值，引起的隧道位移均未超出控制值，控制效果良好。

表2～表4為不同回填厚度下板、梁、樁結構最大內力計算結果。由表可知，隨著填土厚度的增加，板樁體系的內力亦增加，但當填土厚度超過4 m時，結構的內力趨于穩定值。板結構的軸力較小而承受的彎矩和剪力較大，最大軸力、彎矩和剪力分別為210 kN，1 279 kN·m，1 116 kN；梁結構主要承受彎矩和剪力，Z方向的彎矩值顯著，而剪力主要沿Y方向，最大軸力、彎矩和剪力分別為772 kN，5 171 kN·m，19 066 kN；樁結構承受較大的Z方向的軸力，同時彎矩值和剪力值亦具有較高水平，最大軸力、彎矩和剪力分別為28 204 kN，1 346 kN·m，2 693 kN。在設計時，板、梁、樁應按最大內力進行設計。該部分的研究成果可為樁板體系的合理設計提供基礎。

表2 板結構內力計算結果

表3 梁結構內力計算結果

表4 樁結構內力計算結果

4 結論

文章結合福州濱?？炀€蓮花山站—大數據站工程實際，基于《城市軌道交通結構安全保護技術規范》控制標準，采用數值模擬研究地表后期規劃路基填筑對下臥深厚軟土地層盾構隧道的影響，闡述了其在上方路基填筑下的變形規律，并進一步對超過控制標準的常規方案進行優化和分析，得出以下主要結論：

1)因地鐵盾構隧道洞身軟土地層長期固結沉降，對深厚軟土地層盾構隧道上方規劃路基填筑影響規律進行分析，發現未采取措施則填筑過厚會導致隧道沉降超過地鐵保護控制值，因此有必要采取保護措施。2)針對地鐵保護需求及周邊開發需要，提出了上方樁板體系保護方案，經過比選其最不利工況，即在最大填筑厚度5 m作用下，隧道最大位移為-17.311 mm，仍處于控制值以內，可見樁板結構能有效承擔來自地表堆土的超載作用，防控效果顯著，滿足規范要求。3)濱海地段有必要提前考慮規劃道路填土堆載影響，軟土地段提前采取真空預壓或地面加固等方案，降低后期對地鐵結構的不利影響。4)本文提出的加固方案可供類似地層的地鐵隧道上方路基處理工程參考。