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摘要:通过工程实践经验，结合数值计算模型和实测数据资料，分析了地铁保护区内新建道路工程对既有隧道结构的影响要素，总结出临地铁工程设计、施工中的注意事项，提出地铁结构安全保护措施及建议，为既有地铁结构保护区内新建道路工程的设计、施工提供参考依据。
关键词:地铁保护;道路工程;安全评估;变形控制
1引言
随着城市建设大规模发展，轨道交通、地下空间等配套基础设施的规划与建设愈加迅速，在许多大、中型城市，已经形成完善的地下交通线网系统，是城市交通体系最重要的组成部分之一，而地铁工程的运营与维护也随之成为一项至关重要的工程。地铁轨道交通运营使用过程中，由外界因素引起的结构性安全问题层出不穷，大多与邻近工程的建设施工有关，因此，既有地铁结构保护区内新建工程的设计与施工对既有隧道的影响成为一个重要研究方向。《北京市城市轨道交通安全运营管理办法》(2009年修订)、《上海市轨道交通管理条例》(2002年)、《杭州城市轨道交通管理条例》(2019年)及《浙江省城市轨道交通结构安全保护技术规程》(DB33/T1139－2017)等条例和规范对轨道交通控制保护区范围的设置均有明确规定，一般来说，地下车站主体结构与区间结构外边线外侧50m内及地面车站、高架车站和区间结构外边线外侧30m内为轨道交通控制保护区范围;地下车站主体与区间隧道外边线5m内及地面车站、高架车站、高架线路工程结构、高压电缆沟及水平投影外侧3m内为特别保护区，除交通设施、市政公用设施等必要工程外，不能在特别保护区内进行建设活动［1］。往往新建的城市道路工程需进入地铁特别保护区，与地铁结构的水平、竖向距离会更近，故对地铁保护区内道路工程进行地铁保护的研究具有一定意义，道路工程中对既有地铁结构影响较大的节点主要包括路基工程、管线工程、桥梁工程等。
2设计、施工要点经验分析
既有地铁结构保护区内各类市政项目实施前，应先整理新建工程各施工节点与地铁设施的相对空间位置关系，其次通过影响机理分析及工程类比法，初步判断路基工程、管线工程、桥梁工程等节点工况对地铁设施的影响大小;然后结合有限元数值分析，定量判断各工况节点实施可能造成的地铁结构变形趋势，最终提出有针对性的地铁保护措施，保证地铁的运营安全。根据多个项目经验，对地铁保护区范围内道路工程设计、施工经验总结如下。
2.1平面位置关系
对地铁保护区内新建道路工程，应在设计前期充分考虑道路总体与既有地铁结构的位置关系。新建道路与既有地铁轨道平面相交的情况，若在既有地铁结构正上方同向共线布置，则为相对不利工况。由于大范围工程节点位于地铁结构正上方，对既有结构影响较大，但是从城市道路与轨道交通的建设规划来看，此类现象又不可避免，若出现此类情况，应全面、综合考虑全线的各节点布置形式。若新建道路工程与既有地铁结构平面正交布置，则对既有结构影响相对较小，只需考虑相交节点的布置形式。虽然道路工程为市政公用工程，可以进入地铁保护区，但影响较大的重要节点，如桥梁桩基、大开挖等扰动较大节点最好还是避免进入特别保护区，减少工程建设对地铁运营的影响。
2.2路基工程
对地铁保护区内新建路基工程，应在前期设计阶段充分考虑新建路基的道路设计标高与现状地面标高、路基形式、地基处理方案等。位于地铁保护区内的新建路基工程道路设计标高应尽量与现状地面标高保持一致，应尽量控制开挖深度或回填高度。若由于规划条件限制道路设计标高无法与现状地面标高保持一致时，应满足规范中地铁上方影响范围内卸荷比和增荷比的要求，从而减少施工造成地铁结构的上浮及沉降。若临近地铁的新建工程设计标高与现状地面标高相差较大，一种情况为路堤填方或路基结构层加载，设计应采用轻质混凝土材料，若遇填方较大工况，可考虑换填方案，挖除现状地面下方原状土，用轻质混凝土材料回填，且应严格控制隧道上方路基填料的含水量，从而减少高填方增荷引起的下方既有隧道结构附加沉降;另一种情况为较大的挖方工程，应遵循分层、分段、限时，并做到及时回填的原则进行。同时若拟建道路下方原状土承载力不满足要求，需对隧道上方进行地基处理时，方案的选择对既有隧道影响较大，应尽量选择施工振动小、荷载小、微扰动的方式，尽量避免大范围、大深度的换填方案。地铁上方软土路基地基处理，常见的方法有注浆加固、微扰动加固及浅部、局部软土换填等。注浆加固应选择轻型机械并控制注浆压力。微扰动加固方式一般选择机械扰动小的微扰动施工工艺，如MJS工法等，采用跳打方式，地基处理时应严格控制加固深度，确保隧道上方一定的安全距离内土体不受扰动，为了节约造价，在确保成桩质量的情况下，也有采用机械荷载较小的普通搅拌桩进行地基加固的成功案例。浅部软土换填应选择与原状土体重度接近的轻质材料，严格控制增荷引起的隧道结构附加沉降［2］。
2.3管线工程
对地铁保护区内新建管线工程，应在前期设计阶段充分考虑新建管线工程中的管线布置形式、管线埋深、管线选材、施工工艺等。地铁保护区内，道路工程中开挖较深的新建雨污水等地下管线工程，一般来说，在满足使用前提下，应合理布置，尽量远离地铁结构。雨水管线可以选择就近入河等措施，尽量减少管线直径、埋深和铺设范围。同时在管材选择上应尽量避免现浇方案，选取预制管，如球墨铸铁管，管井也应尽量采用预制井，最大程度减少施工周期，做到快挖快填，从而减少对地铁结构的影响。对于地铁保护来说，开挖深度越小越好，埋深浅的管槽，可采用明挖法分段放坡开挖，管线即挖即埋。无放坡条件或土质条件较差的情况下，可采用微扰动工法如MJS等技术形成重力式挡墙，在能保证成桩质量的情况下也可采用普通搅拌桩加固。若管线埋深较大，可根据与地铁结构的相关关系、管径和地层条件选择合适的扰动较小的非开挖技术，如拖拉管、顶管及小型盾构等施工方式［3，4，5］。若遇地铁正上方存在埋深较深的综合管廊及箱涵等，又需采用明挖的施工工艺，应控制地铁上方的卸荷比，防止由于地铁上方卸荷过大造成地铁上浮。可采用以下相关施工工艺:①对地铁结构上覆土采用微扰动施工工艺进行加固，增加地铁上方保留覆土自重;②采用门架式加固法，在既有隧道结构的水平和纵向形成一个封闭的加固体系，如图1所示，从而减少上方基坑开挖对地铁结构周围土体的扰动及减少地铁结构的上浮;③采用分区、分层开挖到底并及时浇筑分区底板并进行配重，保证隧道上方单次卸荷量并及时补偿隧道上方荷载，从而控制地铁结构的上浮等。同时应保证加固体与地铁结构的水平和竖向净距，以及加固体的施工工艺，尽量减少加固体本身施工对地铁结构的影响和扰动［4，6］。
2.4桥梁工程
对地铁保护区内新建桥梁工程，应在前期设计阶段充分考虑新建桥梁施工工序中的桩基、桥台布置、驳坎形式、河道开挖、桥后台路基处理、桥梁结构等。地铁保护区内新建桥梁基础布置应尽量避开地铁特别保护区，基础形式应尽量选用挤土效应小的桩型，可采用钻孔灌注桩成桩工艺，并尽量避免摩擦桩桩基，采用端承桩桩基。若桩基离地铁结构较近的可考虑采用360全回转钻机－ＲT工法的施工工艺，如图2所示，做到钢套管先行，保证桩基成孔过程中孔壁的质量，减少孔壁变形，且钢套管设置的底标高应低于地铁结构底不少于5m或进入基岩。如地铁结构底存在软土，钢套管应穿越软土，且后期不拔除，或采用高频免共振钢管桩等，从而减少桩基施工对地铁结构的扰动。地铁保护区内桥台布置在满足使用要求的情况下，应尽量布置在现状地面标高位置，避免桥台浇筑时的大开挖或高回填。在地铁保护区内河道、驳坎开挖，涉及围堰增荷、扰动及开挖卸荷过程，对隧道结构影响复杂，应尽量减少开挖深度及围堰自重和施工扰动。可选择轻质土袋围堰，中间夹轻质黏土;也可选择硬壳轻质围堰，但应规避钢板桩围堰方案，以目前的钢板桩施工工艺打拔过程振动对地铁周围土体扰动大，不利于控制地铁结构变形及沉降。驳坎开挖的围护形式也应尽量选择微扰动施工工艺，最大程度上减少隧道结构周围土体的扰动，也可考虑永久性支护结构代替河道驳坎，减少开挖范围的同时节约工程造价。地铁保护区内桥梁起桥高度应尽量与现状地面标高平齐，减少桥后台的回填高度，桥后台回填建议采用轻质混凝土，可减少地铁上方增加的荷载也可以增加路基强度，减少桥后台两侧挡墙尺寸及埋深。地铁保护区范围内桥梁结构的选择应考虑到后期施工荷载。若为现浇结构，建议采用吊篮现浇工艺，若采用搭设支架现浇工艺，支架荷载需直接作用到地铁上方地面时，则需考虑地铁上方增荷比能否满足规范要求，需要在河道中间打设支架时，则需考虑支架桩的成桩工艺，减少支架桩施工对地铁的扰动。若为钢结构，则需考虑桥梁主体结构架设时架桥机械的站位及机械荷载引起地铁上方的增荷比能否满足规范要求，若在现状河道上方施工，也可考虑采用顶推浮桥搭设。所以桥梁结构的选型应综合考虑桥梁、河道及地铁结构的位置关系、桥梁结构自重、经济性等多方面因素后确定。上述开挖工程均可能涉及降水措施的选择，隧道上方降排水会引起附加应力增大，对隧道结构极不利。挖深较浅的工程应尽量选择轻型井点降水，较深基坑工程可采用止水帷幕进行地下水隔断，隔断基坑与地铁侧的水力联系，辅以坑内降水和坑外不降水或控制性降水，必要时采取回灌等措施，减少降水对地铁结构的影响［7，8］。
3案例分析
以杭州市勘测设计研究院有限公司完成的杭州某道路工程为例，该道路工程基本与地铁隧道共线，大部分位于地铁正上方，且包含了路基工程、管线工程、桥梁工程等节点，项目的特点是距离地铁结构近，工程节点多，节点开挖、回填量大。在项目的前期设计过程中，我们根据不同的设计方案采用了三维MidasGTSNX建立了不同的分析模型。借助三维模型的模拟计算，分析了不同方案对地铁结构的影响，为了控制地铁结构的变形，最终采取了本文上述相应的地铁保护措施:①尽量减少了设计道路标高与现状地面的高差;②地铁上方雨污水管线采用球墨铸铁管，沟槽开挖较浅处采用放坡开挖形式，较深处采用普通搅拌桩重力式挡墙的支护形式，并做了分层、分段、限时开挖的要求;③桥梁桩基尽量远离地铁结构，离地铁结构外边线10m范围内钻孔灌注桩采用全螺旋全套管回旋钻机施工，套管底进入地铁结构底以下5m，且后期不拔除;④桥后台回填较深位置采用了泡沫混凝土回填;⑤河道驳坎修筑直接采用了双排桩永久结构，取消了浆砌块石驳坎，减少了开挖面积;⑥围堰设置采用了轻质土袋围堰，中间夹轻质黏土。采取以上地铁保护措施后对该工程按各工况采用三维MidasGTSNX建立了对地铁结构影响的最终分析模型，如图3所示。根据三维MidasGTSNX建立的三维有限元模型进行模拟分析结果可知该段道路工程施工引起的地铁结构水平位移最大为1．37mm，竖向位移最大为－3．70mm，如图4所示，满足相关规范地铁结构变形控制指标的要求。同时根据该项目的第三方地铁保护监测实测盾构隧道水平位移及竖向位移数据，如图5所示，基本与模型分析结果相吻合，说明上述地铁保护措施对地铁结构变形控制有一定的作用，同时也说明采用选取合适的本构模型、岩土参数及合理、切合实际的施工工序等条件下是能较好地反映项目实际施工过程中对地铁结构的影响，为后期的设计、施工及地铁保护提供一定的依据和指导。
4建议及展望
本文根据地铁保护区内相关新建道路工程经验，总结了道路工程设计、施工对地铁保护的要点及相关措施，希望对后期地铁保护区内道路工程建设有一定的借鉴意义。(1)道路工程对地铁影响的主要因素为:道路及各节点与地铁的位置关系及地铁结构的结构形式;道路路基的开挖深度、回填深度、回填材料、基底加固形式;管线沟槽的开挖深度、支护形式、管线选材;桥梁桩基的选型、桥台的挖深、支护形式，桥梁主体结构的选型、施工工艺，河道驳坎的选型、挖深、支护形式，围堰的选型等。(2)地铁保护区范围内新建道路工程，工程前期就应从平面布置、路基工程、管线工程、桥梁工程等各方面，综合考虑工程与水文地质条件、轨道交通结构安全状况、外部作业特点、周边环境和地方经验等因素，充分考虑地铁保护的相应措施，在能有效保证地铁结构安全的同时也能节省一定造价。(3)若既有地铁结构上方或周边需进行地基处理，也可选择搅拌桩，在确保成桩质量、严格控制施工扰动的前提下，可采用机械配重较小的普通搅拌桩方案，可以很大程度上节省工程造价，上海、杭州等地区已有成功的类似工程经验，对新建项目建设节约造价有一定借鉴意义。(4)既有地铁周边新建工程施工一般不考虑挤土及扰动较大的桩型，往往会造成地铁保护工程造价的提高，我们可以尝试一些新的施工工艺，如静压、静拔拉森钢板桩，高频免共振钢管桩，静钻根植桩等新工艺来保护地铁结构的同时减少工程造价。
参考文献
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作者:沈华骏 祝斌 蒋正 单位:杭州市勘测设计研究院有限公司