既有地鐵上方道路設(shè)計(jì)方案比選研究

摘要：以某新建高速公路工程為實(shí)例，針對(duì)隧道側(cè)方和上方道路施工的工況，建立了包含機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線及地面道路施工的整體三維數(shù)值模型，并對(duì)原設(shè)計(jì)方案、輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，EPS材料換填方案對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響最小，施工完成后的隧道沉降只有0.34mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求。同時(shí)經(jīng)長(zhǎng)期效果分析，EPS材料換填方案對(duì)隧道的變形影響也最小，只有0.2mm。由此說明，EPS材料換填方案具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：既有地鐵；數(shù)值模擬；輕質(zhì)泡沫混凝土；EPS材料；隧道變形；長(zhǎng)期沉降

0" "引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，尤其是在已經(jīng)建成的城市中，如何在確保地鐵運(yùn)行安全的前提下，優(yōu)化和拓展城市道路路網(wǎng)，已成為當(dāng)前城市規(guī)劃與建設(shè)亟待解決的重大課題[1]。在既有地鐵上開展路面設(shè)計(jì)與建設(shè)，不僅要兼顧其功能與經(jīng)濟(jì)要求，還要充分考慮施工過程對(duì)地鐵安全性與運(yùn)行穩(wěn)定性的影響[2]。由于軌道交通多處于城區(qū)中心地帶，周圍環(huán)境復(fù)雜、地下管線密集，且地鐵是重要的交通干線，因此對(duì)其施工安全提出了更高的要求。

本研究以既有軌道交通為研究對(duì)象，根據(jù)隧道側(cè)方和上方道路施工的工況，建立了包括機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線以及地面道路施工的整體模型，并對(duì)原設(shè)計(jì)、輕質(zhì)泡沫混凝土和EPS材料回填3種施工方案的可行性進(jìn)行了評(píng)估。通過本研究，可為我國(guó)公路建設(shè)工程中的“路-地”并存問題提供科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)為同類工程中“路-地”并存問題的解決提供技術(shù)借鑒，推動(dòng)我國(guó)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)發(fā)展[3]。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

某高速公路主線改建工程，道路等級(jí)參照城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為60km/h，長(zhǎng)約4.9km，雙向8車道。本工程與市域鐵路線中地鐵保護(hù)區(qū)范圍存在交叉[4]，項(xiàng)目平面圖如圖1所示。根據(jù)《鐵路安全管理?xiàng)l例》《地方鐵路線路安全保護(hù)區(qū)管理規(guī)定》《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》以及管理部門意見等，對(duì)鐵路保護(hù)范圍內(nèi)的工程方案進(jìn)行比選。

1.2" "地質(zhì)狀況

通過對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)勘察可知，擬建場(chǎng)地的地質(zhì)穩(wěn)定性較好，整體地形比較平緩，巖層分布比較穩(wěn)定。雖然局部存有軟弱土、流砂等不良地質(zhì)情況，但采取相針對(duì)性的防治措施，也可以有效解決這些問題。總體來看，該場(chǎng)地具備良好的工程地址條件，適合本項(xiàng)目的建設(shè)要求。

1.2.1" "土層分布

①1層雜填土：包括建筑廢棄物和植物根系等，其結(jié)構(gòu)性較差，不能直接用作地基承載體，可以采用置換法進(jìn)行填筑。場(chǎng)地內(nèi)普遍分布。

①2層浜底淤泥：土質(zhì)較差，軟塑，高壓縮性，施工過程中需要開挖和治理。分布于明溝內(nèi)。

①3層素填土：主要成分是黏土，軟塑，高壓縮性，部分地區(qū)含有植物根系等，結(jié)構(gòu)性較差，可以采用分層夯實(shí)法。場(chǎng)地內(nèi)普遍分布。

①4層浜填土：含建筑垃圾、植物根莖、有機(jī)物、少量的生活垃圾和腐爛的植物。松散，含淤泥，高壓縮性。分布在暗溝里。

②1層粉質(zhì)黏土：軟塑可塑，中等壓縮性，一般為“硬殼層”，是一種良好的基礎(chǔ)承載體，但部分土層比較薄。

②3層砂質(zhì)粉土：疏松至中密度，中等壓縮性，可用作公路路基。

③1層及③4粉質(zhì)黏土：高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度，易發(fā)生軟弱層，對(duì)路基的穩(wěn)定性及沉降產(chǎn)生不利影響，需要進(jìn)行合理的基礎(chǔ)處理。

③T層砂性粉質(zhì)黏土：疏松至略致密，中等壓縮性，土質(zhì)較好，為液化土層，液化等級(jí)輕微，可作為路基持力層或道路路基下臥層。

④層淤泥質(zhì)黏土：灰色，含云母、有機(jī)質(zhì)、貝殼碎屑，夾少量薄層粉砂，局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土。呈流塑狀態(tài)，高等壓縮性。場(chǎng)地內(nèi)遍布。

⑤1層黏土：灰色，含云母、有機(jī)質(zhì)、貝殼碎屑，夾少量薄層粉性土，局部為粉質(zhì)黏土。呈軟塑狀，高等壓縮性。場(chǎng)地內(nèi)遍布。

⑦1層草黃色～灰黃色砂質(zhì)粉土：草黃-灰黃色，含云母、氧化鐵條紋，局部夾砂質(zhì)粉土，土質(zhì)不均。呈稍密狀，中等壓縮性。該層在正常地層分布區(qū)局部分布。

1.2.2" "土層參數(shù)

根據(jù)土層分布的詳細(xì)分析，得到土層參數(shù)如表1所示。

2" "三維數(shù)值分析

2.1" "數(shù)值模型建立

結(jié)合換填的開挖深度和隧道埋深，選取計(jì)算模型尺寸為：長(zhǎng)150m，寬300m，高66m。有限元總體模型如圖2所示。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為38316個(gè)，六面體實(shí)體單元數(shù)為34028個(gè)，滲透面單元數(shù)為4306個(gè)。模型的邊界條件如下：頂部自由；四周及底部限制法向位移，底邊限制三個(gè)方向的位移；四周為透水邊界，底部為不透水邊界[5]。

2.2" "分析工況設(shè)置

計(jì)算初始位移和地應(yīng)力，然后清零位移。輕質(zhì)泡沫混凝土方案土體開挖2.8m，EPS方案土體開挖1.9m。輕質(zhì)泡沫混凝土方案填筑總計(jì)4m，EPS方案填筑總計(jì)3.06m，水泥土填筑0.8m。進(jìn)行超載測(cè)試，施加10kPa超載，持續(xù)20d。

3" "計(jì)算結(jié)果分析

基于上述施工方案，分析各方案對(duì)周邊土體和隧道結(jié)構(gòu)的影響，重點(diǎn)關(guān)注沉降、隆起和整體變形等指標(biāo)。通過對(duì)比分析不同方案的實(shí)施效果，選擇最優(yōu)施工方法，減少施工對(duì)既有地鐵線路的影響。

3.1" "原設(shè)計(jì)方案

利用數(shù)值模型對(duì)原設(shè)計(jì)道路施工方案進(jìn)行模擬仿真，得到原設(shè)計(jì)方案的施工路面變形示意如圖3所示。

從圖3可以看出，原設(shè)計(jì)道路施工方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為111.9mm，變形主要表現(xiàn)為沉降。同時(shí)，所引起的隧道整體變形隨著分層回填不斷增大，最大變形量為7.21mm。

3.2" "輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案

利用數(shù)值模型對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案進(jìn)行模擬仿真，得到輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案的施工路面變形示意如圖4所示。

從圖4可以看出，輕質(zhì)泡沫混凝土方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為29.63mm。在卸土?xí)r，隨著回填其變形逐漸減小。同時(shí)，所引起的隧道整體變形最大變形量為6.21mm，施工結(jié)束后其變形量為2.15mm。

3.3" "EPS材料換填方案

利用數(shù)值模型對(duì)EPS材料換填方案進(jìn)行模擬仿真，得到EPS材料換填方案的施工路面變形示意如圖5所示。

從圖5可以看出，EPS材料換填方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為13.6mm。在卸土?xí)r，隨著回填其變形逐漸減小。同時(shí)，所引起的隧道整體的最大變形量為3.84mm，施工結(jié)束后其變形量為0.34mm。

3.4" "長(zhǎng)期效應(yīng)沉降分析

3.4.1" "原設(shè)計(jì)方案沉降

對(duì)于原設(shè)計(jì)方案來講，施工結(jié)束10年后的機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線隧道左線最大沉降約36.33mm，右線最大沉降約36.03mm，均超過控制值10mm。同時(shí)，由于對(duì)應(yīng)位置地表道路回填垂直跨越隧道軸線，導(dǎo)致沿隧道軸向的沉降槽較為明顯，隧道左、右線的最小曲率半徑約22.193km，滿足曲率半徑控制限值15km要求。

3.4.2" "輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案沉降

對(duì)于輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案來講，施工結(jié)束10年后的機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)隧道的收斂值約0.2mm，沉降約0.3mm，均未超過控制值。同時(shí)，隧道對(duì)應(yīng)的曲率半徑最小約980km，也滿足限值15km的要求。

3.4.3" "EPS材料換填方案沉降

對(duì)于EPS材料換填方案，施工結(jié)束10年后的機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)隧道的收斂值約0.1mm，沉降約0.2mm，均未超過控制值。同時(shí)，隧道對(duì)應(yīng)的曲率半徑最小約1231km，也滿足限值15km的要求。

4" "結(jié)束語

本文根據(jù)隧道側(cè)方和上方道路施工的工況，建立包括機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線以及地面道路施工的整體三維數(shù)值模型，并對(duì)原設(shè)計(jì)方案、輕質(zhì)泡沫混凝土方案和EPS材料回填方案3種方案進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

原設(shè)計(jì)方案施工結(jié)束時(shí)，隧道變形雖未超過控制指標(biāo)，但長(zhǎng)期固結(jié)變形使隧道最終變形量仍遠(yuǎn)超控制指標(biāo)，因此不建議采用原設(shè)計(jì)方案。

對(duì)機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形分析表明，輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案的施工結(jié)束后，盾構(gòu)隧道變形量分別為2.15mm和0.34mm，均能滿足變形控制要求。

長(zhǎng)期變形計(jì)算分析結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)方案因道路超載回填較大，10年后隧道變形增長(zhǎng)明顯，最大值為39.84mm，遠(yuǎn)大于控制指標(biāo)10mm；輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案由于無明顯超載，10年后的隧道變形增量不明顯，但開挖卸載時(shí)隧道變形最大。

隧道水平收斂和拱底沉降的分析表明，原設(shè)計(jì)方案機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線的長(zhǎng)期沉降變形超標(biāo)；輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案引起的沉降變形和收斂變形均滿足限值要求。無論原設(shè)計(jì)方案、輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案，還是EPS材料換填方案，沿隧道產(chǎn)生的曲率半徑均能滿足限值要求。

綜上所述，從結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，本文推薦EPS材料換填方案作為解決城市軌道交通與基礎(chǔ)設(shè)施共存問題的首選方案。研究成果將為城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供了理論指導(dǎo)，對(duì)促進(jìn)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

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