正上方堆载和卸载对隧道的影响分析

正上方堆载和卸载对隧道的影响分析

肖信霈

广州中恒城市规划勘测设计有限公司

摘 要 以佛山三号线区间为依托，运用有限元Midas GTS，分析地面加卸载过程中地铁隧道的变形特性。

关键词 加卸载 地铁隧道

软土具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。当位于软土地层的地铁隧道地面有加载或卸载时易产生变形。为了保障地铁隧道的正常运营功能，对其变形有着严格的要求，隧道的变形特性是我们研究的关键问题。

本文以佛山三号线区间为依托，运用有限元Midas GTS，分析地面加卸载过程中盾构隧道的变形特性。

1工程概况

佛山地铁三号线潭洲会展站~岳步站区间为佛山地铁三号线由南往北的第15个区间。本区间从潭洲会展站出发，向西延伸，下穿一条河涌，然后沿规划道路敷设，下穿水口村部分村民住宅后，再经过一条河涌，最后到达岳步站，地面高程为2.18~3.38m。线路轨面埋深11.66～30.72m，隧道覆土8.2～27.9m。区间地层由上往下依次为<1-1>素填土、<2－1B>淤泥质土、<2－2-1>海陆交互相粉细砂层、<2－1B>淤泥质土、<2-2>淤泥质粉细砂、<3－2>冲积-洪积中砂、粗砂、<7-2>（强风化）泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、<8-2>（中风化）泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩。隧道穿越土层主要为<2－1B>淤泥质土、 < 2－2 >淤泥质粉细砂。本区间处于软弱地层，采用三轴搅拌桩地面加固或者洞内注浆方法进行隧道加固；三轴搅拌桩地面加固的加固体上至隧道顶部以上3m，加固底面穿透<2-1a>、<2-1b>淤泥层进入下部土层1m。衬砌环参数：外径 6200mm；内径 5440mm；管片宽度 1500mm；管片厚度380mm的平板式单层预制钢筋混凝土管片衬砌。管片混凝土强度等级为C50，抗渗等级P12。钢筋采用HPB300和HRB400级钢筋，管片环向和纵向连接的M30螺栓强度等级为6.8级。目前盾构区间已投入运营。

佛山市顺德区北滘镇荷岳路以南、僚莘路西侧地块清理工程，位于北滘镇荷岳路以南、僚莘路西侧地块内。2023年4月7日佛山市地铁运营有限公司安全技术部监测到佛山地铁3号线潭洲会展站~岳步站区间数据监测异常，经检查发现在地铁保护区范围内有土方堆体，导致区间隧道监测数据异常。经测量地铁特别保护区范围内土方的堆土量约11054立方米，50米控制保护区范围堆方量约37460立方米。影响区间隧道里程范围为下行线： ZDK38+641～ZDK39+063（153-434环），上行线：YDK38+677～YDK39+003（176-393 环）。

图1 潭洲会展站~岳步站区间平面图

图2 三轴搅拌桩加固剖面图

图3 结构横断面示意图

图4  地铁保护区上方土方卸载分区分块图

表1 土层物理力学参数

注：加固土层根据佛山地区的经验，变形模量取值为70MPa，粘聚力取值为40KPa，内摩擦角取值为25°。

堆土高度平均约3.2m左右，最高堆土为5.5m，最低堆土为1m，土方卸载方案如下

（1）分两个区，北侧为一区，南侧为二期，先卸载一区，再卸载二区。卸载前于现场做好标识。

（2）一区划分为第①~⑥块，卸载顺序按①~⑥进行，每次卸载厚度不超过1m，卸载期间，第①~③相邻块标高差不超过1m，第④~⑥相邻块标高差不超过1m。

（3）二区划分为第⑦~⑫块，卸载顺序按⑦~⑫进行，每次卸载厚度不超过1m，卸载期间，第⑦~⑨相邻块标高差不超过1m，第⑩~⑫相邻块标高差不超过1m。

2 数值计算结果分析

2.1 计算步骤与模型

根据加卸载与区间隧道的空间关系，运用Midas GTS有限元软件，建立三维有限元模型，分析地面加卸载对区间的影响。计算模型范围以加卸载外轮廓为基准外扩不小于30m而建立，模型高度为50m。

土体采用摩尔库伦破坏准则，同时采用实体单元模拟地层、路面填土。

盾构管片采用板单元模拟。盾构管片厚0.38m，材料用C50。

施工步骤如表2，网格模型如图3。

表2 施工步骤

图5 地面加卸载与隧道的网格模型                           

2.2 地面加卸载对隧道位移的影响分析

   地面加卸载引起地铁结构侧边的土压力发生变化，产生位移。

图6  工况3 总位移

图7 工况6 总位移

图8 工况3竖向位移

图9 工况6 竖向位移

 表3 区间隧道整体最大位移汇总表（mm）

注：竖向位移向下变形为正，向上变形为负；

由表可知： 随地面覆土过程中，地铁隧道的Z向竖向位移、总位移最大变化量分别为48.7mm、63.5mm；根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013），隧道位移控制值取20mm，根据《城市轨道交通既有结构保护技术规范》（广东省标准DBJ/T15-120-2017），隧道位移控制值取15mm，地铁隧道变形超过规范控制值。地面覆土对地铁隧道影响较大。在卸土过程中无明显恢复。

3 监测结果与计算结果对比

获取2021年8月3日，2022年8月21日，2023年2月21日和2023年4月9日左线道床沉降监测数据进行观察对比，在左线里程ZDK38+749~ZDK38+989范围内发生了较大沉降变化，发生的时间段处于2022年8月21日~2023年2月21日时间段。其中道床最大沉降量达到了20.66mm。本次变化量、累计变化量均比较大，但现场没见明显渗漏水，且监测点位完好。2023年2月21日~2023年4月9日时间段沉降速率减小，道床最大沉降量达到了29.51mm，发生在里程ZDK38+809处，卸土后有较小回弹。

获取2021年8月3日，2022年8月21日，2023年2月21日和2023年4月9日右线道床沉降监测数据进行观察对比，在左线里程YDK38+569~YDK38+960范围内发生了较大沉降变化，发生的时间段处于2022年8月21日~2023年2月21日时间段。其中道床最大沉降量达到了38.70mm。本次变化量、累计变化量均比较大，但现场没见明显渗漏水，且监测点位完好。2023年2月21日~2023年4月9日时间段沉降速率减小，道床最大沉降量达到了48.95mm，发生在里程YDK38+780处，卸土后有较小回弹。

由监测数据可知，2022年8月覆土至2023年4月9日左线地铁隧道沉降最大值为29.51mm,后趋于稳定，右线地铁隧道沉降最大值为48.95mm,后趋于稳定。与模型覆土工况下竖向沉降最大值48.7mm基本一致。在2023年4月12号~6月10号卸土期间，地铁隧道各项指标趋于稳定，避免了堆土的持续影响。与模型卸土工况下的位移变化规律基本一致。说明模型分析参数可靠。

4 结论

   本文以佛山三号线为依托，分析

软土地层地面加卸载对地铁隧道的影响分析，得到如下结论：

（1）在软土地基中，加载对地铁的影响较大，卸载后恢复较小。

（2）建议加强地铁保护，后续对区间上方及地铁保护区范围近距离外部作业所带来影响进行安全性评估，隧道结构安全控制指标值（变形值）建议不超过5mm，并经过专家认证后才可开展外部作业。

参考文献：

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