市政管線近距離上跨既有地鐵車站影響分析及保護措施

龔宇翔

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司鄭州分院，河南 鄭州）

由于近年極端天氣頻發，特別是鄭州7.20 暴雨后，城市排水工程進行整體提升改造，由于城市軌道交通車站基本位于市政道路十字交叉口，市政排水工程沿市政道路敷設，后續新建或改造相應排水工程與既有地鐵的立體交叉數量也日漸增多，因此排水工程在上跨或鄰近地鐵進行施工時對地鐵結構變形影響的預測及分析至關重要。新建排水工程施工伴隨著基坑的開挖和回填,會導致地鐵周圍土層加載和卸載，導致周邊土層發生變形，從而導致地鐵結構產生變形。通過數值模擬分析鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵鄰近地鐵施工對地鐵結構產生的位移、結構內力及遠期抗浮等方面的影響，進而將風險因素反饋設計單位，設計過程中采取針對性措施進行風險控制，進而指導后續施工，盡可能降低外部作業對地鐵結構及運營的影響，對于后續市政工程涉及軌道交通保護外部作業具有十分重要的借鑒意義。本論文以鄭州市管城回族區鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵上跨軌道交通規劃16 號線停車線（已與4 號線姚莊站同期實施）項目作為研究題材，分析大跨度雨水涵外部作業在對地鐵結構的位移、結構內力、防水及遠期抗浮等方面的影響，同時依據規范及地方軌道交通保護條例提出控制外部作業風險、保障運營安全的措施建議。

1 項目概況

1.1 項目介紹

依據鄭州鼎力街（文治路-靈動路）管線規劃、鄭州金岱科創城區域雨水系統規劃圖，鼎力街下方規劃有2-3.0×1.4 m 雨水涵，需要轉輸鼎瑞街和鼎昌街及相交支路的雨水，匯水面積約112.6 ha，現狀文德路、文達路雨水涵已建，鼎瑞街雨水入河口2-1.6×1.6 m 雨水涵已建成，且不具備調整雨水涵路由及高度的條件。通過調查，鼎力街在強降雨時期存在較嚴重積水問題。為解決片區排水及下游出路問題，急需實施鼎力街（文治路-靈動路）段規劃雨水涵。

新建鄭州鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵與軌道交通規劃16 號線停車線十字交叉，新建鼎力街雨水涵上跨軌道交通規劃16 號線停車線。雨水涵上跨規劃16 號線停車線平面圖見圖1。

圖1 雨水涵上跨軌道交通規劃16 號線停車線平面圖

1.2 規劃16 號線停車線概況

規劃16 號線停車線為地下兩層雙跨框架結構，結構寬度10.7 m，高度14.2 m。采用明挖法施工，圍護結構采用D1000@1300mm 鉆孔灌注樁+內支撐。雨水涵上跨位置16 號線停車線施工期間設置鋼便橋保障交通，鋼便橋范圍樁頂冠梁尺寸1 000×1 000 mm，根據設計文件，停車線圍護樁未參與抗浮，考慮雨水涵施工完成后，停車線結構上部覆土荷載減小，為滿足結構抗浮要求，16 號線停車線兩側共8 根圍護樁需錨入雨水涵結構。由于車站整體架構較長，16 號線停車線結構與4 號線姚莊站結構連接處設置1 道變形縫。上跨位置雨水涵距離停車線結構頂板防水保護層外皮0.29 m，與停車線圍護樁樁頂冠梁沖突，雨水涵實施期間需對停車線冠梁進行鑿除。根據停車線結構現狀調查情況，停車線結構未發現破損、孔洞與蜂窩麻面等情況，右線側墻有明顯濕漬情況，底板有明顯積水；左線側墻偶見濕漬情況，底板局部位置積水。

1.3 雨水涵上跨規劃16 號線停車線位置關系

新建鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵以雙孔框架結構形式上跨規劃16 號線停車線結構，上跨角度為90°，穿越16 號線停車線結構長度為10.7 m，與停車線結構凈距僅0.29 m，同時需破除停車線圍護樁頂部冠梁。根據地勘報告顯示，上跨段雨水涵地層為回填層。雨水涵明挖采用分塊施工、兩端對稱、由遠及近開挖施工方法，在運營天窗期采用靜力切割配合局部剔除混凝土鑿除與雨水涵沖突部分冠梁。圖2 所示為交叉區域剖面位置關系。

圖2 雨水涵上跨規劃16 號線停車線剖面位置關系圖

1.4 工程地質及水文地質條件概況

本工程地處鄭州市東南部，所在地區位于黃河沖洪積平原西南部的邊緣地帶，地形地貌屬與黃河沖積平原，地形較平坦，地形地貌條件較簡單，沿線地層上部為新生代第四系地層為主，巖性為黃河沖積物，主要為粉土、砂類土等。根據地勘鉆探、標準貫入試驗結果，結合室內土工試驗資料，地基土按巖性及力學特征分層后，從上到下分層描述分別為：1 填筑土（Q4ml）、2 細砂（Q4al+pl）、2-1 粉土（Q4al+pl）、3 粉土（Q4al+pl）、4 細砂（Q4al+pl）層。

場地內地下水為第四系覆蓋層孔隙水。場地地下水埋深約10-13 m，位于規劃16 號線停車線頂部以下約6.9 m，上跨處停車線結構位于細砂、黏質粉土層。

2 雨水涵明挖上跨對規劃16 號線停車線影響分析

2.1 近距離明挖上跨地鐵結構風險分析

明挖基坑近距離上跨地鐵結構，如措施不當，容易造成車站結構沉降、損傷，影響線路運營安全[1]。根據規范要求，本工程開工前需依據專業能力采取有限元分析軟件分析外部作業對既有軌道交通結構的影響范圍及影響程度，根據分析結果，通過采取壓重、卸載、撐頂、加固等措施，并通過加強監測，及時反饋監測數據，驚醒動態調整，使外部作業對地鐵結構產生的風險可控。

通過分析本項目的對既有軌道交通結構產生的風險主要為：（1） 開挖卸載導致地鐵結構覆土荷載減小，進而引起地鐵結構上浮，上浮超過規范要求后危及運營安全；同時由于不均勻受力產生結構裂縫；（2） 雨水涵施工過程中需切除地鐵圍護結構樁頂冠梁，切除過程中可能產生振動，進而破壞結構外貼防水層，引起地鐵結構滲漏水；同時振動噪聲易造成乘客不適，降低運營服務質量。（3） 雨水涵基底距離地鐵結構頂部防水層近0.14 m 左右，開挖過程中極易造成防水保護層及防水層破壞。根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013）、《影響城市軌道交通外部作業技術標準》DBJ41T262-2021 中規定：外部活動對軌道交通既有結構的附加影響預測，應根據兩者之間的空間關系、工程地質和水文地質條件，并結合軌道交通既有結構及設施的現狀、外部活動的規模和施工方法等因素[2]，根據地鐵結構的接近程度和外部作業的工程影響分區綜合確定。

本工程新建雨水涵橫穿規劃16 號線停車線結構，根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T202-2013）、《影響城市軌道交通外部作業技術標準》DBJ41T262-2021 判定，擬建雨水涵明挖施工對軌道交通16 號線停車線結構外部作業影響等級為特級，見表1。

表1 外部作業影響等級劃分

2.2 數值模擬分析外部作業對既有地鐵結構的影響

采用定量分析的方法進一步預測雨水涵明挖上跨對規劃16 號線停車線的影響范圍及影響大小，對交叉區域運用巖土工程計算軟件Midas-GTS-NX 建立三維模型，模擬計算新建雨水涵明挖施工過程對規劃16 號線停車線結構變形和受力的影響[3]。土體采用“修正莫爾-庫倫”彈塑性模型模擬，既有車站板墻結構及新建隧道結構均采用線彈性面單元模型模擬。邊界條件對計算土體的底面約束豎向z 的位移，側面分別約束橫向x、縱向y 的位移，地表為自由面[4]。施工工況按照外部作業施工工序進行各工序的模擬計算，通過有限元軟件的“激活單元、鈍化單元、改變網格屬性”等方法模擬基坑開挖、結構施工、覆土回填等各階段對軌道交通結構的影響。數值分析計算模型見圖3。

圖3 三維有限元數值分析模型

根據數值分析模擬計算結果，雨水涵明挖上跨施工引起的規劃16 號線停車線變形主要表現為沉降位移，明挖上跨施工結束后引起的規劃16 號線停車線結構最大沉降值為1.07 mm，位于交叉位置下方停車線結構北側頂板處；對停車線結構水平向影響相對較小，為-0.031 mm；圖4 所示為停車線結構位移云圖。根據規范及鄭州市相關軌道交通管理辦法，軌道交通結構的位移限值為±5 mm，數值模擬計算位移均滿足相關規范要求。根據數值模擬結果，本項目臨近既有地鐵施工方案可行，對停車線結構的影響整體可控。

圖4 雨水涵明挖施工引起停車線結構豎向、水平向位移變形云圖

3 雨水涵明挖上跨規劃16 號線停車線保護措施及實施效果

為最大限度的保證上跨處地鐵結構的運營安全，根據定性及定量分析結果，在雨水涵實施中需采取以下防護措施，進一步降低工程實施風險[5]：

（1） 交叉范圍冠梁采用靜力切割配合局部剔除混凝土，破除作業在運營天窗期施工，同時基底以上500 mm 范圍內采用人工開挖，避免因施工產生較大震動對結構及結構外包防水產生破壞影響。

（2） 加強上跨范圍雨水涵結構施工質量控制，保證雨水涵主體結構質量。雨水涵結構變形縫設置應避開軌道交通結構平面投影范圍，并嚴格按照設計圖紙要求進行變形縫施工；雨水涵使用期間，產權單位應定期對雨水涵進行檢修，確保雨水涵使用期間無滲漏水情況發生，避免因滲漏水改變軌道交通結構周圍土體結構性質，進而改變結構的受力狀態，對停車線結構安全產生影響。

（3） 施工嚴格結合水文地質情況完善明挖施工控制措施，合理制定施工工序?；娱_挖過程中，控制超挖，并做好基坑內排水，在雨季施工時更應加強基坑內積水抽排，并做好基坑頂地面的排(截)水系統及局部的地面硬化措施，以防地面水滲漏，采取合理有效的排水措施，以確?；影踩?。同時應提前備好沙袋等應急物資，以應對水位上漲引起的結構上浮。上跨施工期間安排專人對規劃16 號線結構影響區域現場盯控。

（4） 雨水涵結構施工完成后，基坑回填壓實選用輕型壓實機具，禁止采用大型震動壓實設備。

（5） 加強施工過程中變形監測。監測數據應及時進行整理和分析，及時報告施工主管，使監測成果能及時指導施工。出現異常時能成為分析問題和采取相應措施的主要依據。為此，要求施工單位嚴格按照設計要求進行監測工作，不得有任何延誤。當達到監測表中預警值時，立即停止施工，并采取有效措施。

4 結論

（1） 定性分析結果表明，新建鼎力街（文治路-靈動路）雨水涵近距離上跨規劃16 號線停車線結構外部作業風險等級判定為特級；根據數值分析計算結果，采用明挖法上跨對既有地鐵結構影響在可控范圍內。

（2） 在采取交叉范圍冠梁靜力切割、上跨范圍雨水涵結構施工質量控制、合理制定施工工序、基坑回填及壓實要求、加強變形監測等保障措施后，可滿足新建雨水涵近距離上跨地鐵結構的運營安全。

（3） 根據雨水涵外部作業期間第三方監測單位對停車線結構的監測結果，停車線結構在雨水涵施工期間最大沉降值為2.2 mm，滿足相關規范3-10 mm 限值要求。