1、福建交通科技2023年第1期我国东南沿海地区地形地貌主要为冲海积平原区，不良地质情况主要有地基液化及深层软土地基2种，道路工程常规的特殊路基处理方案有挤密砂桩、高压旋喷桩、冲击碾压、轻质泡沫混凝土等。而随着福州地铁建设规模的加大，施工的路线增多，为提高福州城市土地利用率，福州地铁轨道交通布置方式通常采用地下隧道布置形式，临近地铁隧道段特殊路基处理则存在多种相互制约、相互影响因素。与常规特殊路基处理设计、施工相比，临近地铁段道路特殊路基处理方案受到严格限制，且各单位、各部门审批程序多，设计和施工过程会遇到不同程度困难与挑战。为确保道路路基施工过程中地下轨道结构安全，前期设计采用MIDAS/GTS
2、进行几何建模1，模拟道路施工时对隧道结构外壁附加荷载与变形，以及路基自身工后沉降，根据计算结果选择最优路基处理方案。1工程概况1.1地质情况福州市拟建道路临近地铁段，场地分布有粘土、淤泥质土等软弱土及砂类土（在7度地震作用下可能产生液化现象）等，属抗震不利地段，可能产生的不良地质作用主要为砂土液化、深层软土大变形等。1.2拟建道路与地铁F1线施工时序概况拟建道路路基施工迟于地铁F1盾构穿越时间。1.3拟建道路与地铁线路线关系拟建道路下方有地铁F1、F2、F3线，其中地铁F1线为在建地铁线，F2、F3线为规划预留地铁线，由于走廊带限制，地铁F1线与拟建道路大致呈平行走向，本次影响较大的路段为高架
3、桥桥头引道路基过渡段。此段填高约13 m，与F1线右线平面位置重合，道路中心线距F1隧道轮廓中心线距离约12.4 m，F1线覆土埋深约21 m，如图1所示。摘要以福州市某道路工程建设为例，该道路临近地铁段，地质条件复杂，存在砂土液化、软土大变形等不良地质作用，通过比选挤密砂桩、高压旋喷桩、预应力管桩、冲击碾压、轻质泡沫混凝土等处置方案，初步选定“基底超挖换填泡沫混凝土+泡沫混凝土填筑”修筑该段路基。采用MIDAS/GTS软件建模验算，结果表明：该方案既满足路基自身工后沉降要求，亦能保证临近地铁隧道结构安全。关键词临近地铁特殊路基处理轻质泡沫混凝土MIDAS/GTS临近地铁隧道特殊路基处理林威（
4、福州轨道交通设计院有限公司，福州350004）图1拟建道路与F1线路线关系图23FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期根据CJJ/T 202-2013城市轨道交通结构安全保护技术规范2，拟建道路对地铁F1线隧道结构影响等级为特级，见表1。表1拟建道路对F1线隧道结构影响等级表2方案比选2.1深层软基处理结合拟建工程地质情况差、工期安排的实际情况，考虑采用轻质泡沫混凝土、旋喷桩、水泥搅拌桩、预应力管桩、真空堆载联合预压塑料排水板等方案作技术经济比较，以选用合理的软基处理方式。比选如下：真空堆载联合预压塑料排水板方案无法满足拟建项目工期要求，且对周边环境影响较大，不推荐采
5、用；拟建道路下方有预留地铁线，若采用预应力管桩（刚性桩）对远期预留地铁线盾构施工造成阻碍，不推荐采用；水泥搅拌桩及高压旋喷桩造价相对较低，但拟建项目软基层深度埋深超过20 m，超过水泥搅拌桩处理深度范围，不推荐采用；高压旋喷桩水泥浆液喷浆压力大于20 MPa，高压旋喷桩位于地下隧道结构外壁正上方，距离3 m，喷浆压力扩散后传至隧道结构外壁的附加压应力计算，见表2。根据城市轨道交通结构安全控制指标值2，结构外壁上的附加应力不大于20 kPa，因此高压旋喷桩不适用；轻质泡沫混凝土通过减小填土材料本身自重，减少软基附加应力，进而减小地基的压缩变形量，减小路堤总沉降量和工后沉降，适用于临近地铁隧道段软
6、基处理。道路工程主要内容与隧道空间关系与相对净距工程影响分区接近程度影响等级桥头路基过渡段，此段填高约13 m正上方强烈影响区（A）非常接近特级表2隧道外壁附加压力计算结果2.2地基液化处理考虑到拟建项目表层为37 m粉细砂层有轻微液化，根据JTG B02-2013公路工程抗震规范高速公路轻微液化规定：挡墙宜对基础上部结构采取减轻液化沉降影响的措施；路基宜对基础及上部构造采取减轻液化沉降影响的措施；结构物自身抵抗液化沉降影响能力较强时，也可以不采取措施。常规液化路基处理措施有挤密砂桩、振动沉管碎石桩、预应力管桩、冲击碾压等，但前述方案均不满足地铁隧道外部作业净距控制管理值，详见表3。表3地铁隧
7、道外部作业净距控制管理值（单位：m）注：*表示外部作业与城市轨道交通结构外边线之间的水平投影净距。轻质泡沫混凝土主要是减轻地基上部附加荷载，无法消除或减轻液化地基，因此在浇筑轻质泡沫混凝土前先对表层1.5 m粉细砂进行超挖换填，以减轻地基表层液化沉降。2.3初步方案确定拟建项目为高速公路兼城市快速路，对沉降要求严格，且地基又存在轻微液化，特别是桥头、挡墙等构筑物是防沉降重点部位。受地铁F1线影响范围限制，初步选定“基底超挖换填泡沫混凝土（1.5 m）+泡沫混凝土填筑路基（3 m）”方案，下文对此方案建模验算。3数值分析验证3.1材料本构模型选择MIDAS/GTS模型软件模拟计算路基施工，以及对
8、地铁隧道荷载及变形的影响。采用More-Coulomb模型对土层进行模拟，通过线弹性模型对地铁盾构隧道段及以上道路结构进行模拟。土层破坏准则为Mohr-Coulomb拉剪组合准则，如图2所示。外部作业城市轨道交通结构类型地下结构地面结构高架结构工程桩*3.03.03.0钻探孔*3.03.03.0冲孔、震冲、挤土*20.06.06.0道路工程计算项单位计算结果高压旋喷桩距地下隧道结构外壁距离Hm3扩散角（淤泥质土）23高压旋喷桩桩径Bm0.5高压旋喷桩水泥浆液喷浆压力1kPa20000传至隧道结构外壁的附加压应力j=1B/（2Htan23+B）=kPa327824福建交通科技2023年第1期图2
9、Mohr-Coulomb破坏准则根据图2所示：从A点绘制到B点破坏包络线fS=0，公式如下：fS=1-3N+2cN（1）当ft=0，B点绘制到点C的破坏包络线，公式如下：ft=3-t（2）其中，t为张拉强度，c为粘聚力，为内摩擦角，且有：N=1+sin()1-sin()（3）张拉强度应不大于3。最大值可通过以下公式确定：tmax=ctan（4）势函数由gt和gs2个函数表示，分别表示为拉伸塑性流动和剪切塑性流动。函数gs公式如下：gs=1-3N（5）其中，表示膨胀角，N=1+sin()1-sin()。gt函数符合相关流动法则，公式如下：gt=3（6）用式h(1,3)=0将流动法则写成统一的形式
10、：h=3-1+aP（1-P）（7）式中，aP和P是由下式定义的常数：aP=1+N2+N，P=tN-2cN。3.2计算模型选取根据地质资料、工程经验和理论分析，建立二维模型。盾构隧道管片采用植入式梁单元，路基土采用平面应变单元，道路挡土墙及路面结构采用梁单元模拟。计算中假设混凝土结构为理想弹性材料，路基和土体为理想弹塑性材料，服从莫尔库仑屈服准则。边界条件假定模型底部和四周受限，地表面自由。计算断面如图3所示。图3计算断面示意图3.3计算参数及模拟过程（1）参数选取。各项力学指标参数根据地质勘察报告进行设置，如：土的重度、内摩擦角、粘聚力等；弹性模量参考岩土详勘报告中土的压缩模量进行换算，盾构隧
11、道管片选用C50，挡土墙选用C30；地下水位按勘察报告；轻质泡沫混凝土：重度取7 kN/m3；轻质泡沫混凝土弹性模量Ec与抗压强度qu之间有较好的线性关系，参考公路路基设计手册（第三版），抗压强度取0.8 MPa，Ec=251qu+61=261.8 MPa=261800 kN/m2；泊松比取0.1。（2）地基换填土方开挖过程模拟。在有限元软件中对土方开挖的模拟以及管片衬砌的支护是通过“杀死”或“激活”对应的土体以及衬砌单元实现的，即所谓“生死单元”。在MIDAS软件中设置“单元死”的含义是将其单元刚度矩阵乘以一个很小的刚度折减因子，使其对系统的整体刚度矩阵的贡献达到最小，从而实现消除该单元对整
12、体刚度矩阵的影响。开挖的过程除了需要将开挖的土体设置为“死单元”，还需要将“死”自由度在一定程度上进行限制，这时所开挖土体的载荷、容重、阻尼、比热等效果均被删除。相对应的“单元活”的含义是降低刚度折减因子的影响，在载荷步中将之前被“杀死”的单元土方开挖过程模拟再次激活。具体模拟循环过程如下：边界条件和初始条件：模型的四周、底部边界为法向约束，地表自由。在自重作用下求解至平衡，并提取隧洞周边以及掌子面处节点力；开挖：通过“杀死”挖方范围土体单元来实现开挖过程；换填：激活上步“杀死”的挖方范围土体单元并改变网格单元属性为换填土，并完全释放围岩荷载；堆载：激活路基堆填范围土体单元及路面结构，并施加行
13、车荷载，实现路基堆载过程。25FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期3.4计算结果分析（1）工况一：基底开挖卸载1.5 m，地铁隧道顶部最大位移9.5 mm。（2）工况二：填轻质混凝土，轻质混凝土容重7 kN/m3，抗压强度不小于0.8 MPa，加载后隧道顶部最大位移为15.7mm，隧道顶最大附加土应力17.9 kPa；路面竣工时，道路地基沉降0.109 m，路面竣工后，基准期内的残余沉降0.089 m。（3）模拟值与规范值对比分析：路基工后沉降值。路堤采用轻质泡沫混凝土填筑具有一定的粘结性，因此路基稳定性无需验算，其主要控制指标是桥头工后沉降量。数值分析计算结果见表
14、43、图4，该方案运营期结束时总沉降量为0.089 m，满足规范值。根据沉降时间变化曲线（图5）可知，前4个月沉降速度较快，沉降量为0.069 m，达到总沉降量的82%，后期沉降较小并趋于平稳。表4桥头软土路基工后沉降量与规范值对比图4运营期满后的沉降云图图5沉降随时间变化曲线对轨道交通结构安全影响。福州地铁隧道结构安全指标控制值需满足现行国家标准GB 50157地铁设计规范及城市轨道交通的结构安全保护技术的要求，见表5。数值分析计算结果表5、图67。可见，本项目施工对地铁结构影响在安全范围内。指标桥台与路堤相邻处规范值计算值高速公路兼快速路0.10 m0.089 m综上，采用“基底超挖换填泡
15、沫混凝土+泡沫混凝土填筑路堤”方案既满足路基本身工后沉降要求，又能满足城市轨道交通结构安全要求。4结论与建议（1）通过各处理方案比选分析，本项目临近地铁隧道段特殊路基处理采用“基底超挖换填泡沫混凝土+泡沫混凝土填筑路堤”方案，既能有效控制路基工后沉降，又减轻了对地铁隧道外壁的附加荷载，对在建地铁影响处于可控范围内；（2）采用MIDAS/GTS进行建模分析验算，表明：“基底超挖换填泡沫混凝土+泡沫混凝土填筑路基”施工对地铁隧道荷表5城市轨道交通结构安全控制指标值安全控制指标预警值控制值工况一工况二隧道水平位移/mm1020710隧道竖向位移/mm10209.515.7隧道结构外壁附加荷载/kPa
16、-20-17.9图6工况一：基底开挖卸载工况图7工况二：加载工况道路工程26福建交通科技2023年第1期图13方案2 BIM效果示意图5工程适应性分析本路段通过各种扩容方案比较，对于推荐的方案2，对其工程适应性分析如下：（1）既有鸿尾1号隧道、鸿尾2号隧道，左洞均利用为匝道隧道，右洞2车道均扩挖为4车道，满足现行设计规范对隧道限界的要求；（2）左幅按照设计速度由80 km/h提升为100 km/h的标准，完成对既有老路平纵横的改造；右幅按照100 km/h的标准新建4车道；（3）鸿尾互通，左幅2条匝道利用既有鸿尾1号隧道、2号隧道左洞穿越，右幅2条匝道接明挖路基，解决隧道口与互通出入口距离不足问题；（4）既有鸿尾互通，左幅2条匝道完全利用，右幅配合主线新修2条匝道，工程方案可行，工程规模合理；（5）较好利用既有工程，新建右幅桥梁段基本位于老路用地范围内，征地拆迁少，工程造价相对低；（6）利用既有高速保通，先修建右幅4车道，待右幅修建完毕进行交通转换，后把老路改造为左幅4车道，施工交通组织方案合理。6结语“十四五”期间，福建省开展新一轮的高速公路扩容工程建设。随着扩容项目建设条件复杂性的
