地铁工程下道路安全性分析

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摘要:随着城市基础设施建设的快速发展，越来越多的地铁工程需要穿越城市既有道路。地铁工程下穿城市既有道路的施工过程会对既有道路的安全性造成影响，需要对既有道路的沉降量进行计算。以北京地铁某车站下穿既有道路为工程背景，采用现场踏勘和数值模拟相结合的研究手段，对车站施工引起的路面沉降进行了数值计算，提出了既有道路变形指标，确定了施工监测分级预警值，给出了施工过程中的建议和对策。

关键词:下穿工程;既有道路;沉降计算;变形指标;分级预警

0引言

目前，我国城市化建设飞速发展，尤其是地铁建设工程遍布城市中心［1－2］。地铁工程在地下建设过程中，不可避免地会出现穿越既有道路的情况［3］。根据地铁工程的施工工艺特点，施工过程会对周围岩土体产生影响，甚至引起上覆岩土层的变形。当变形量超过既有工程允许范围时，既有工程会形成一定程度的损伤，则需要对既有工程进行及时加固，以保证既有工程的安全性［4－5］。地铁工程是贯穿城市的地下空间工程，在建设过程中也会穿越城市地表的既有道路进行施工［6－7］。为了控制车站施工对既有道路原状土层产生的扰动［8］，保证原有土层的稳定［9］，减小道路结构下沉，本文以某地铁车站建设对既有道路的影响为研究背景，分析车站下穿既有道路产生的结构变形，提出地铁车站施工过程中的建议和对策［10－21］。

1工程概况

地铁车站设计长265．4m，宽24．0m，主体结构跨度分别为7．6m，7．2m，7．6m，底板埋深为32．2m，拱顶覆土为14．6m。车站主体结构设计为双层三跨框架，施工方法采用暗挖PBA(PileBeamArc)工法，结构顶拱由钢格栅+喷射混凝土的初期支护和模注钢筋混凝土的二次衬砌构成，并且在两次衬砌之间进行柔性防水层的设置。主体结构的侧桩为灌注桩起到支撑作用，也起承载力桩基的作用，同时承担暗挖逆筑法的竖向压力，在灌注桩与结构内衬墙之间要求设置防水层。根据现场钻探、原位测试和岩土试验结果的初步分析，勘探深度内的地层按成因类型和沉积时代可分为两类:人工堆积层和第四系沉积层。

2模型建立

2．1几何模型

考虑模型的边界效应及计算效率，根据地铁车站施工的影响范围，模型宽度设为200m。为了附加应力系数对模型计算结果的影响，将模型深度设为90m。沿地铁施工开挖方向，取模型长度为400m，具体几何模型如图1所示。

2．2模型参数

既有道路路面结构材料设为线弹性模型，地层土体的材料设为莫尔－库伦弹塑性模型。根据路面结构材料的特性和既有道路的地质勘查资料，不同路面(自上到下)结构和地层材料物理力学参数如表1，表2所示。

2．3地应力平衡

既有道路及土体在自重作用下发生固结沉降，固结沉降完成后方可开始车站施工。为了模拟在自重作用下完成固结沉降的原状土，有必要在模型中建立初始自重应力场，作为后续施工步骤的初始状态。在该模型中，将重力荷载施加到土体上，计算重力荷载下的应力场，然后将获得的应力场作为初始应力场，与重力荷载一起应用到有限元模型中。模型的侧面和底部是位移边界，侧面限制水平移动，底部限制垂直位移，上边界是自由表面。

3安全性分析

3．1沉降量计算

地铁施工引起围岩的应力重分布，而地层的变形又引起路面的下沉，使路面结构层承受拉应力。当拉应力大于各结构层材料的容许拉应力时，路面结构将出现裂缝，从而对既有道路安全性造成影响。因此，既有道路路面的沉降量(竖向位移)是道路性能的控制指标。表3为车站不同施工阶段计算得到的路面沉降量，图2为不同车站结构施工引起的既有道路路面和挡墙的沉降云图。由表3，图2可知，车站施工下穿既有道路，对正上方道路的沉降变形产生了显著的影响。在考虑施工地下降水对道路沉降影响的前提下，道路的最大沉降约13．3mm，挡墙的最大沉降量为12．3mm。车站施工对既有道路沉降影响较大，车站施工中应控制开挖步序，提高注浆效果，从而保证施工的安全与道路的稳定。

3．2道路变形指标

通过数值模拟计算结果可知，车站施工能够引起既有道路的沉降。当道路结构沉降达到一定变形值时，会对路基稳定性和行车舒适性产生不利影响，从而危及道路交通运行安全。因此，在穿越工程施工过程中必须严格控制道路结构的变形。本研究综合道路、地下管线的运营安全要求(DB11/T716—2019)及实时道路变形监测数据，将该车站施工期间穿越既有道路产生变形的指标设定为:1)地铁施工影响范围内的道路路面沉降最大值为15mm，沉降速率最大值为2mm/d。2)地铁施工影响范围内道路路面隆起最大值为5mm。3)地铁施工影响范围内道路差异沉降最大值为5mm/5m。4)地铁施工影响范围内道路挡墙沉降最大值为10mm。5)为了防止积水渗透对路基强度的劣化，路面禁止存在结构性裂缝。6)为了防止路面积水对路基的影响，路面沉降区域内禁止长时间存在积水。3．3变形预警设置为了能够在实时监测中对既有道路的沉降进行准确预警，本研究将F值定义为车站施工时的预警指标，F表达式为式(1):根据F值大小将监测预警确定为三个级别:黄色预警、橙色预警和红色预警，不同预警条件及预警响应如表4所示。

4建议及对策

根据对车站施工影响范围内的道路结构安全性分析，地铁车站施工会对既有道路产生一定的沉降变形。地铁工程下穿既有道路施工过程中，需要采取一定的监测和道路防护措施，保证车站施工和道路运行安全。1)地铁工程施工前应进一步对既有道路结构进行检测，查明既有道路路面、挡土墙等结构状况。充分考虑穿越项目引发道路沉降对道路结构造成的损坏，若出现损坏应在沉降稳定后及时修复。2)施工过程中，应按照相关规范及管理部门要求，对道路的沉降(隆起)进行监测，并记录道路的纵、横向高程。监测测点应深入路基土内，以保证反映路基的沉降情况。3)为了准确评估地铁施工对既有道路的影响程度，需要对已经竣工的工程继续监测，直到沉降值不再增加或者趋于稳定。监测完成后，根据监测结果对既有道路的稳定性进行评估，并且给出处理意见。4)工程实施前，需制定完善的施工方案及应急预案，严格按照安全规程进行施工，遇突发事件时严格执行应急预案。

5结论

随着城市地铁建设的日益发展，地铁工程的延伸必然会下穿既有道路，并且地铁工程的施工会对既有道路造成影响。本文通过对既有道路的现场踏勘，结合地铁工程的施工工艺进行数值模拟，对不同施工阶段中的不同既有道路结构的变形进行计算，得到了以下结论:1)地铁工程下穿既有道路的施工过程对既有道路的沉降变形产生显著影响。在考虑施工地下降水对道路沉降影响的前提下，道路的累积沉降量为13．3mm，挡墙的累积沉降量为12．3mm。2)在保证地铁工程施工要求的前提下，对既有道路变形指标进行了设定，并且根据实测变形值和允许变形指标的关系确定了监测预警值，对应不同的预警条件提出了不同的预警响应。3)为确保既有道路变形值在允许范围内，提出了地铁车站施工过程中的建议和对策，从而保证施工正常进行与道路运营安全。

作者:王涛 李宝国 张佩佩 单位:北京城市快轨建设管理有限公司 北京市基础设施投资有限公司