1、 年第 期总第 期福 建 建 筑 填筑路基对下方地铁隧道影响分析与对策苏文生（福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州）摘 要：以新建填筑路基道路工程为例，采用 有限元分析软件进行数值模拟，计算分析填筑路基对下方双线叠交盾构隧道的影响情况，得到多种填筑方案下隧道的变形分析结果，并推荐影响最小填筑方案。通过现场监测结果对比分析，掌握了填筑道路施工后地铁隧道的变形情况，验证数值模拟分析结果，总结经验，为今后类似工程提供借鉴。关键词：填筑路基；盾构隧道；数值模拟；有限元计算；自动化监测中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；作者简介：苏文生（），男，高级工程师。：收稿日期：引言随着城市现代
2、化的进程，地下轨道交通呈现快速发展的趋势，以满足城市发展的需要，很多大中型城市出现越来越多的地上地下交通工程交叠设计、交叉施工的局面，彼此产生相互影响。地铁投资巨大，一旦受到影响，可能造成巨大损失。因此，地铁城市都有涉及地铁保护的规定，在地铁保护区建设都很慎重，在施工前进行方案比选，进行影响评估，施工过程中进行严格的地铁保护性专项施工监测。对于已运营地铁，应采用自动化测量机器人进行监测，能够进行目标的自动搜索、识别、跟踪和精确照准并获得高精度的角度、距离和三维坐标等信息，能胜任点位多、监测环境复杂、要求与施工运营互不影响的监测任务。在确保地铁正常运营下，掌握地铁结构的安全状态。福州某新建道路工
3、程，位于两条叠交地铁区间隧道上方，道路建设需填高 左右，交叉影响长度较大，有必要通过数值模拟分析，提出优化建议。结合现场实际监测数据对比分析，掌握道路施工对下方既有地铁的影响情况，总结地铁区间隧道变形规律，为类似工程提供借鉴参考。工程概况 新建道路与地铁区间隧道概况某道路工程规划红线宽度 ，为双向 车道，起止桩号为 ，长度 ，起终点均为新建道路，呈东西走向，道路等级为城市主干道，设计速度 。其中，该道路 至 路段路基以填筑为主，路堤平均填筑高度约为 ，最大填筑高度约为 。根据道路线路设计图，拟建道路在 段与地铁 号线斜交，隧道位于道路正下方，该段隧道为盾构隧道，埋深 ，主要穿越的地层为淤泥、残
4、积粘性土、全风化花岗岩和散体状强风化花岗岩。道路对 号线区间隧道的覆盖长度约 。年 期 总第 期苏文生填筑路基对下方地铁隧道影响分析与对策 道路在 段，与地铁 号线二期重合，隧道位于道路正下方。该段隧道为盾构隧道，埋深 ，主要穿越的地层为淤泥、粉质粘土、残积砂质粘性土和全风化花岗岩。道路对 号线区间隧道的影响覆盖长度，约 。道路在 段与 号线二期、号线及螺城东路出现三线线位叠交的情况，其平面相对位置关系图如图 所示。道路路堤的填筑加载，势必会对已建地铁区间隧道造成影响，因此，选择合理的路堤填筑方案，制定有效的地铁隧道保护措施，是本工程实施的重点与难点。图 新建道路与地铁区间隧道相对位置关系图
5、工程地质概况场地地处南台岛平原，地貌类型分为山前堆积平原地貌与剥蚀残山地貌，两种地貌沿线交替分布。场地地势有一定起伏，地面高程主要在.之间。覆盖层主要为第四系不同成因类型的土层，基底为不同风化程度的花岗岩。场地岩土层自上而下为：杂填土，松散，厚度约.；耕植土，松散，厚度约.；粉质粘土，软塑 可塑，厚度约.；淤泥，流塑，厚度约.；粉砂，稍密，厚度约.，局部分布，局部夹薄层淤泥质土；淤泥质土，流塑，厚度约.；粉质粘土，可塑 硬塑，厚度约.；坡积粘性土，可塑 硬塑，厚度约.；残积粘性土：可塑 硬塑，厚度约.；全风化花岗岩，厚度约.；I0散体状强风化花岗岩，厚度约.；I1碎裂状强风化花岗岩，厚度约.；
6、I2中风化花岗岩。水文地质情况本工程区域地表水，主要为市区内河水及闽江，地下水，主要为浅部的上层滞水及风化岩中的孔隙、裂隙水。水位埋深约为.，相应标高约.，变化较大。水位年变化幅度约为.。路基填筑对地铁影响的数值模拟 计算软件、模型、参数本文采用有限单元法，基于 （）岩土、隧道结构专用分析软件，建立三维有限元模型，分析道路路堤填筑施工对已有地铁区间隧道的影响。为了消除边界效应，数值模拟边界距离整个施工场地矩形包络线不小于 倍距离。模型中考虑了已建成的地铁 号线与地铁 号线隧道，并考虑了已经存在的加固区对已有结构的影响，本路基填方结构模型如图 图 所示。图 路基填方及 段加固三维数值模型图 号线
7、洞内注浆区域三维数值模型边界条件和初始条件：模型的四周边界施加法向约束，底部施加、方向水平约束与 方向垂直约束，地表自由。本构模型与材料参数：采用 实体单元模拟地层、加固层并且其视为理想弹塑性材料，服从 屈服准则。计算模型中，土体单元的主要物理力学参数，如表 所示。福 建 建 筑 年表 地层单元物理力学参数土层弹性模量（）泊松比摩擦角（）粘聚力（）密度（）杂填土粉质黏土淤泥粘土全风化花岗岩强风化花岗岩加固区土层加固区岩层 路堤填方影响数值模拟结果分析道路建设填方对地面产生了附加荷载，使路堤下的地层产生沉降，进而使其下地铁发生沉降。道路 路基以填方为主，其中位于区间隧道正上方段填方最大高度约.，
8、取平均填方高度.数值模拟计算，容重.。经计算，填方在隧道上方产生了较大的附加荷载，平均约.，使路堤下的地层产生沉降。号线隧道最大沉降位移为.，最大水平位移.。因 号线埋深较浅，所处地层主要为残积粘性土层，压缩模量较小，易发生沉降变形。隧道最大沉降位移为.，最大水平位移为.。未采取减载方案情况下的数值模拟结果，如图 图 所示。图 段路基填筑.后 号线区间竖直 方向位移图 段路基填筑.后 号线区间竖直 方向位移参照城市轨道交通结构安全保护技术规范（）城市轨道交通结构安全控制指标值，号线隧道变形可满足要求；号线隧道位移最大值不满足控制要求，应采取控制措施。为减小道路施工对 号线轨道交通的影响，就必须
9、减少填筑荷载，选择轻质筑路材料，同时应尽量节省造价，在路基填方对 号线轨道交通影响区（）范围内考虑采取如下 种方案：方案：采用轻骨料混凝土填筑路堤，密度 ，强度等级.，弹性模量.，泊松比.。方案：采用气泡轻质混合土填筑路堤，密度 ，最小容重等级，最小强度等级.，弹性模量 ，泊松比.。方案：优化道路纵向坡度，适当减少区间隧道正上方段填方高度（平均高度.），采用气泡轻质混合土填筑路堤，并在该范围既有 号线隧道内（，）通过管片注浆孔进行二次注浆，洞内注浆范围为隧道底部 范围，注浆加固深度 。数值模拟结果如图 图 所示。不同优化方案数值模拟分析结果如表 所示。图 方案 地铁 号线数值模拟结果图图 方案
10、 地铁 号线数值模拟结果图表 不同优化方案数值模拟分析结果方案 号线最大竖向位移 号线最大竖向位移方案 方案 方案 年 期 总第 期苏文生填筑路基对下方地铁隧道影响分析与对策 经模拟分析：方案、方案 引起 号线地铁隧道沉降接近或超过，达不到变形控制要求；方案对该区域的轨道交通 号线和 号线隧道位移最大值，均能满足控制要求。考虑到施工过程中，需对表层杂填土进行开挖（卸载）换填（加载），且施工设备荷载也有影响，故对影响范围的地铁隧道外侧土体进行适当加固，同时施工中需注意洞内注浆质量，以保证效果。地铁保护监测方案 监测点布设基准点采用徕卡 型的大棱镜，确保基准点稳定；工作点采用对中支架架设在监测范围
11、中部结构壁上；监测点采用 型反射棱镜，用膨胀螺丝锚固于隧道结构。号线上行线：（）每.（环）或.（环）布设一个监测断面，共计 个断面；号线下行线：（）每.（环）或.（环）布设一个监测断面，共计 个断面；每个断面共布设 个小棱镜（道床 个点、拱腰 个点、拱顶 个点）。号线监测范围隧道为曲线，因此，为保证视线，每个隧道设置 个工作点，中部设 个搭接点进行联测。监测点平面布置图如图 所示。图 地铁 号线区间隧道监测点布置图 号线上行线：（）每.（环）布设一个监测断面，共计 个断面；号线下行线：（）每.（环）布设一个监测断面，共计 个断面。监测点平面布置图如图 所示，断面布置图如图 所示。监测方法地铁
12、号线已开始试运营，区间隧道采用徕卡 全自动化测量机器人搭载多测回测角 软件，建立高等级三角网、导线（网）实现远程自动化监测。地铁 号线区间隧道结构已施工完成，未进图 地铁 号线区间隧道监测点布置图图 区间隧道监测点断面图行铺轨及机电安装，故采用移动式自动化监测的方式实施（即每次监测时将全站仪、采集系统安装于工作基点上，监测完成后，将设备卸下取回）。测量方法：采用后方交会法，根据各基准点后方交会出测站坐标，建立独立坐标系，采用自由设站边角交会法对各监测点进行监测，组网平差，按照三维坐标计算公式计算得到监测点的三维坐标，进而计算监测点的变形量。坐标系定义：采用独立坐标系，地铁结构水平位移包括沿地铁
13、线路轴线方向和垂直地铁线路轴线方向，轴为沿地铁线路中轴线方向，往大里程方向为“”；轴为垂直隧道中轴线方向（轴），下行线往上行线方向为“”；轴为竖直方向，上浮为“”。监测成果分析现场实际监测结果：（）地铁 号线上行线，累计变形在.之间，各监测点累计变化均小于监测预警值。最后，各测点变化速率在.之间，均小于.，满足变形稳定标准。竖向位移横向曲线图如图 所示。（）地铁 号线下行线，累计变形在.之间，各监测点累计变化均小于监测预警值。最后，各测点变化速率在 之间，均小于 ，满足变形稳定标准。竖向位移横向曲线图如图 所示。福 建 建 筑 年图 地铁 号线上行线竖向位移横向曲线图图 地铁 号线下行线竖向位
14、移横向曲线图（）地铁 号线上行线，累计变形在.之间，各监测点累计变化均小于监测预警值。最后，各测点变化速率在.之间，均小于.，满足变形稳定标准。竖向位移横向曲线图如图 所示。图 地铁 号线上行线竖向位移横向曲线图（）地铁 号线下行线，累计变形在.之间，各监测点累计变化均小于监测预警值。最后，各测点变化速率在.之间，均小于.，满足变形稳定标准。竖向位移横向曲线图如图 所示。图 地铁 号线下行线竖向位移横向曲线图 模拟计算与监测成果对比分析 变化量对比分析本工程根据模拟分析结果建议，采用减载方案 进行施工，数值模拟分析结果及实际监测结果对比，如表 所示。表 数值模拟分析结果及实际监测结果对比表结果
15、对比 号线最大竖向位移 号线最大竖向位移数值模拟结果 实际监测结果 由表 可知：（）地铁 号线盾构隧道最大竖向位移实测结果与数值模拟结果大小相当，总体变形均较小。数值模拟结果基本符合实际情况。（）地铁 号线区间隧道最大竖向位移实测结果与数值模拟结果相当，实测变形量总体较数值模拟结果小。变形规律对比分析（）由图 数值模拟结果可知，地铁 号线上行线沿线变化很小，大部分区段变形在 以内，大里程方向有上浮的趋势；下行线填筑影响区域略微下沉，两侧变形较小，大里程方向有上浮的趋势。对比图 图 实际监测结果可知，实测变形规律与数值模拟结果基本一致。（）由图 数值模拟结果可知，地铁 号线上、下行线在道路填筑区
16、域沉降较明显，沿两侧变化逐渐减小。对比图 图 实际监测结果可知，实测变形规律与数值模拟结果基本一致。对策措施及效果分析（）施工前的评估：本工程为新建市政道路，路基填筑对下方地铁区间隧道存在一定的影响。为避免或降低其工程建设对地铁隧道的不利影响，采取数值模拟方式，对地铁隧道进行建模分析，计算变形量，判断是否满足规范相关要求。本项目通过计算可知，采用素填土进行填筑，产生的附加荷载使地层产生沉降，进而引起 号线隧道沉降偏大，不能满足规范要求。因此，对多种不同减载方案进行模拟分析，具有重要的指导意义。（）施工措施：采用气泡轻质混合土填筑路堤，并在 号线填方影响范围内进行注浆加固。监测结果表明，通过该措施实施后，对隧道的沉降变形控制起到很好的效果。年 期 总第 期苏文生填筑路基对下方地铁隧道影响分析与对策 （）监测措施：本工程对地铁监测采用高精度的徕卡 系列全站仪，监测过程均为自动化监测，合理布设基准点、工作基点、监测点，采用自由设站边角交会法进行监测，搭载自动平差软件进行计算，并定期进行基准点复核、人工复核，确保了监测数据的稳定、准确。结语（）根据实际监测结果，地铁 号线、号线区间隧道累计变化