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摘要:通過工程實踐經驗，結合數值計算模型和實測數據資料，分析了地鐵保護區內新建道路工程對既有隧道結構的影響要素，總結出臨地鐵工程設計、施工中的注意事項，提出地鐵結構安全保護措施及建議，為既有地鐵結構保護區內新建道路工程的設計、施工提供參考依據。
關鍵詞:地鐵保護;道路工程;安全評估;變形控制
1引言
隨著城市建設大規模發展，軌道交通、地下空間等配套基礎設施的規劃與建設愈加迅速，在許多大、中型城市，已經形成完善的地下交通線網系統，是城市交通體系最重要的組成部分之一，而地鐵工程的運營與維護也隨之成為一項至關重要的工程。地鐵軌道交通運營使用過程中，由外界因素引起的結構性安全問題層出不窮，大多與鄰近工程的建設施工有關，因此，既有地鐵結構保護區內新建工程的設計與施工對既有隧道的影響成為一個重要研究方向?！侗本┦谐鞘熊壍澜煌ò踩\營管理辦法》(2009年修訂)、《上海市軌道交通管理條例》(2002年)、《杭州城市軌道交通管理條例》(2019年)及《浙江省城市軌道交通結構安全保護技術規程》(DB33/T1139－2017)等條例和規范對軌道交通控制保護區范圍的設置均有明確規定，一般來說，地下車站主體結構與區間結構外邊線外側50m內及地面車站、高架車站和區間結構外邊線外側30m內為軌道交通控制保護區范圍;地下車站主體與區間隧道外邊線5m內及地面車站、高架車站、高架線路工程結構、高壓電纜溝及水平投影外側3m內為特別保護區，除交通設施、市政公用設施等必要工程外，不能在特別保護區內進行建設活動［1］。往往新建的城市道路工程需進入地鐵特別保護區，與地鐵結構的水平、豎向距離會更近，故對地鐵保護區內道路工程進行地鐵保護的研究具有一定意義，道路工程中對既有地鐵結構影響較大的節點主要包括路基工程、管線工程、橋梁工程等。
2設計、施工要點經驗分析
既有地鐵結構保護區內各類市政項目實施前，應先整理新建工程各施工節點與地鐵設施的相對空間位置關系，其次通過影響機理分析及工程類比法，初步判斷路基工程、管線工程、橋梁工程等節點工況對地鐵設施的影響大小;然后結合有限元數值分析，定量判斷各工況節點實施可能造成的地鐵結構變形趨勢，最終提出有針對性的地鐵保護措施，保證地鐵的運營安全。根據多個項目經驗，對地鐵保護區范圍內道路工程設計、施工經驗總結如下。
2.1平面位置關系
對地鐵保護區內新建道路工程，應在設計前期充分考慮道路總體與既有地鐵結構的位置關系。新建道路與既有地鐵軌道平面相交的情況，若在既有地鐵結構正上方同向共線布置，則為相對不利工況。由于大范圍工程節點位于地鐵結構正上方，對既有結構影響較大，但是從城市道路與軌道交通的建設規劃來看，此類現象又不可避免，若出現此類情況，應全面、綜合考慮全線的各節點布置形式。若新建道路工程與既有地鐵結構平面正交布置，則對既有結構影響相對較小，只需考慮相交節點的布置形式。雖然道路工程為市政公用工程，可以進入地鐵保護區，但影響較大的重要節點，如橋梁樁基、大開挖等擾動較大節點最好還是避免進入特別保護區，減少工程建設對地鐵運營的影響。
2.2路基工程
對地鐵保護區內新建路基工程，應在前期設計階段充分考慮新建路基的道路設計標高與現狀地面標高、路基形式、地基處理方案等。位于地鐵保護區內的新建路基工程道路設計標高應盡量與現狀地面標高保持一致，應盡量控制開挖深度或回填高度。若由于規劃條件限制道路設計標高無法與現狀地面標高保持一致時，應滿足規范中地鐵上方影響范圍內卸荷比和增荷比的要求，從而減少施工造成地鐵結構的上浮及沉降。若臨近地鐵的新建工程設計標高與現狀地面標高相差較大，一種情況為路堤填方或路基結構層加載，設計應采用輕質混凝土材料，若遇填方較大工況，可考慮換填方案，挖除現狀地面下方原狀土，用輕質混凝土材料回填，且應嚴格控制隧道上方路基填料的含水量，從而減少高填方增荷引起的下方既有隧道結構附加沉降;另一種情況為較大的挖方工程，應遵循分層、分段、限時，并做到及時回填的原則進行。同時若擬建道路下方原狀土承載力不滿足要求，需對隧道上方進行地基處理時，方案的選擇對既有隧道影響較大，應盡量選擇施工振動小、荷載小、微擾動的方式，盡量避免大范圍、大深度的換填方案。地鐵上方軟土路基地基處理，常見的方法有注漿加固、微擾動加固及淺部、局部軟土換填等。注漿加固應選擇輕型機械并控制注漿壓力。微擾動加固方式一般選擇機械擾動小的微擾動施工工藝，如MJS工法等，采用跳打方式，地基處理時應嚴格控制加固深度，確保隧道上方一定的安全距離內土體不受擾動，為了節約造價，在確保成樁質量的情況下，也有采用機械荷載較小的普通攪拌樁進行地基加固的成功案例。淺部軟土換填應選擇與原狀土體重度接近的輕質材料，嚴格控制增荷引起的隧道結構附加沉降［2］。
2.3管線工程
對地鐵保護區內新建管線工程，應在前期設計階段充分考慮新建管線工程中的管線布置形式、管線埋深、管線選材、施工工藝等。地鐵保護區內，道路工程中開挖較深的新建雨污水等地下管線工程，一般來說，在滿足使用前提下，應合理布置，盡量遠離地鐵結構。雨水管線可以選擇就近入河等措施，盡量減少管線直徑、埋深和鋪設范圍。同時在管材選擇上應盡量避免現澆方案，選取預制管，如球墨鑄鐵管，管井也應盡量采用預制井，最大程度減少施工周期，做到快挖快填，從而減少對地鐵結構的影響。對于地鐵保護來說，開挖深度越小越好，埋深淺的管槽，可采用明挖法分段放坡開挖，管線即挖即埋。無放坡條件或土質條件較差的情況下，可采用微擾動工法如MJS等技術形成重力式擋墻，在能保證成樁質量的情況下也可采用普通攪拌樁加固。若管線埋深較大，可根據與地鐵結構的相關關系、管徑和地層條件選擇合適的擾動較小的非開挖技術，如拖拉管、頂管及小型盾構等施工方式［3，4，5］。若遇地鐵正上方存在埋深較深的綜合管廊及箱涵等，又需采用明挖的施工工藝，應控制地鐵上方的卸荷比，防止由于地鐵上方卸荷過大造成地鐵上浮?？刹捎靡韵孪嚓P施工工藝:①對地鐵結構上覆土采用微擾動施工工藝進行加固，增加地鐵上方保留覆土自重;②采用門架式加固法，在既有隧道結構的水平和縱向形成一個封閉的加固體系，如圖1所示，從而減少上方基坑開挖對地鐵結構周圍土體的擾動及減少地鐵結構的上浮;③采用分區、分層開挖到底并及時澆筑分區底板并進行配重，保證隧道上方單次卸荷量并及時補償隧道上方荷載，從而控制地鐵結構的上浮等。同時應保證加固體與地鐵結構的水平和豎向凈距，以及加固體的施工工藝，盡量減少加固體本身施工對地鐵結構的影響和擾動［4，6］。
2.4橋梁工程
對地鐵保護區內新建橋梁工程，應在前期設計階段充分考慮新建橋梁施工工序中的樁基、橋臺布置、駁坎形式、河道開挖、橋后臺路基處理、橋梁結構等。地鐵保護區內新建橋梁基礎布置應盡量避開地鐵特別保護區，基礎形式應盡量選用擠土效應小的樁型，可采用鉆孔灌注樁成樁工藝，并盡量避免摩擦樁樁基，采用端承樁樁基。若樁基離地鐵結構較近的可考慮采用360全回轉鉆機－ＲT工法的施工工藝，如圖2所示，做到鋼套管先行，保證樁基成孔過程中孔壁的質量，減少孔壁變形，且鋼套管設置的底標高應低于地鐵結構底不少于5m或進入基巖。如地鐵結構底存在軟土，鋼套管應穿越軟土，且后期不拔除，或采用高頻免共振鋼管樁等，從而減少樁基施工對地鐵結構的擾動。地鐵保護區內橋臺布置在滿足使用要求的情況下，應盡量布置在現狀地面標高位置，避免橋臺澆筑時的大開挖或高回填。在地鐵保護區內河道、駁坎開挖，涉及圍堰增荷、擾動及開挖卸荷過程，對隧道結構影響復雜，應盡量減少開挖深度及圍堰自重和施工擾動?？蛇x擇輕質土袋圍堰，中間夾輕質黏土;也可選擇硬殼輕質圍堰，但應規避鋼板樁圍堰方案，以目前的鋼板樁施工工藝打拔過程振動對地鐵周圍土體擾動大，不利于控制地鐵結構變形及沉降。駁坎開挖的圍護形式也應盡量選擇微擾動施工工藝，最大程度上減少隧道結構周圍土體的擾動，也可考慮永久性支護結構代替河道駁坎，減少開挖范圍的同時節約工程造價。地鐵保護區內橋梁起橋高度應盡量與現狀地面標高平齊，減少橋后臺的回填高度，橋后臺回填建議采用輕質混凝土，可減少地鐵上方增加的荷載也可以增加路基強度，減少橋后臺兩側擋墻尺寸及埋深。地鐵保護區范圍內橋梁結構的選擇應考慮到后期施工荷載。若為現澆結構，建議采用吊籃現澆工藝，若采用搭設支架現澆工藝，支架荷載需直接作用到地鐵上方地面時，則需考慮地鐵上方增荷比能否滿足規范要求，需要在河道中間打設支架時，則需考慮支架樁的成樁工藝，減少支架樁施工對地鐵的擾動。若為鋼結構，則需考慮橋梁主體結構架設時架橋機械的站位及機械荷載引起地鐵上方的增荷比能否滿足規范要求，若在現狀河道上方施工，也可考慮采用頂推浮橋搭設。所以橋梁結構的選型應綜合考慮橋梁、河道及地鐵結構的位置關系、橋梁結構自重、經濟性等多方面因素后確定。上述開挖工程均可能涉及降水措施的選擇，隧道上方降排水會引起附加應力增大，對隧道結構極不利。挖深較淺的工程應盡量選擇輕型井點降水，較深基坑工程可采用止水帷幕進行地下水隔斷，隔斷基坑與地鐵側的水力聯系，輔以坑內降水和坑外不降水或控制性降水，必要時采取回灌等措施，減少降水對地鐵結構的影響［7，8］。
3案例分析
以杭州市勘測設計研究院有限公司完成的杭州某道路工程為例，該道路工程基本與地鐵隧道共線，大部分位于地鐵正上方，且包含了路基工程、管線工程、橋梁工程等節點，項目的特點是距離地鐵結構近，工程節點多，節點開挖、回填量大。在項目的前期設計過程中，我們根據不同的設計方案采用了三維MidasGTSNX建立了不同的分析模型。借助三維模型的模擬計算，分析了不同方案對地鐵結構的影響，為了控制地鐵結構的變形，最終采取了本文上述相應的地鐵保護措施:①盡量減少了設計道路標高與現狀地面的高差;②地鐵上方雨污水管線采用球墨鑄鐵管，溝槽開挖較淺處采用放坡開挖形式，較深處采用普通攪拌樁重力式擋墻的支護形式，并做了分層、分段、限時開挖的要求;③橋梁樁基盡量遠離地鐵結構，離地鐵結構外邊線10m范圍內鉆孔灌注樁采用全螺旋全套管回旋鉆機施工，套管底進入地鐵結構底以下5m，且后期不拔除;④橋后臺回填較深位置采用了泡沫混凝土回填;⑤河道駁坎修筑直接采用了雙排樁永久結構，取消了漿砌塊石駁坎，減少了開挖面積;⑥圍堰設置采用了輕質土袋圍堰，中間夾輕質黏土。采取以上地鐵保護措施后對該工程按各工況采用三維MidasGTSNX建立了對地鐵結構影響的最終分析模型，如圖3所示。根據三維MidasGTSNX建立的三維有限元模型進行模擬分析結果可知該段道路工程施工引起的地鐵結構水平位移最大為1．37mm，豎向位移最大為－3．70mm，如圖4所示，滿足相關規范地鐵結構變形控制指標的要求。同時根據該項目的第三方地鐵保護監測實測盾構隧道水平位移及豎向位移數據，如圖5所示，基本與模型分析結果相吻合，說明上述地鐵保護措施對地鐵結構變形控制有一定的作用，同時也說明采用選取合適的本構模型、巖土參數及合理、切合實際的施工工序等條件下是能較好地反映項目實際施工過程中對地鐵結構的影響，為后期的設計、施工及地鐵保護提供一定的依據和指導。
4建議及展望
本文根據地鐵保護區內相關新建道路工程經驗，總結了道路工程設計、施工對地鐵保護的要點及相關措施，希望對后期地鐵保護區內道路工程建設有一定的借鑒意義。(1)道路工程對地鐵影響的主要因素為:道路及各節點與地鐵的位置關系及地鐵結構的結構形式;道路路基的開挖深度、回填深度、回填材料、基底加固形式;管線溝槽的開挖深度、支護形式、管線選材;橋梁樁基的選型、橋臺的挖深、支護形式，橋梁主體結構的選型、施工工藝，河道駁坎的選型、挖深、支護形式，圍堰的選型等。(2)地鐵保護區范圍內新建道路工程，工程前期就應從平面布置、路基工程、管線工程、橋梁工程等各方面，綜合考慮工程與水文地質條件、軌道交通結構安全狀況、外部作業特點、周邊環境和地方經驗等因素，充分考慮地鐵保護的相應措施，在能有效保證地鐵結構安全的同時也能節省一定造價。(3)若既有地鐵結構上方或周邊需進行地基處理，也可選擇攪拌樁，在確保成樁質量、嚴格控制施工擾動的前提下，可采用機械配重較小的普通攪拌樁方案，可以很大程度上節省工程造價，上海、杭州等地區已有成功的類似工程經驗，對新建項目建設節約造價有一定借鑒意義。(4)既有地鐵周邊新建工程施工一般不考慮擠土及擾動較大的樁型，往往會造成地鐵保護工程造價的提高，我們可以嘗試一些新的施工工藝，如靜壓、靜拔拉森鋼板樁，高頻免共振鋼管樁，靜鉆根植樁等新工藝來保護地鐵結構的同時減少工程造價。
參考文獻
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作者:沈華駿 祝斌 蔣正 單位:杭州市勘測設計研究院有限公司