西安地铁2号线下穿南门护城河段地表沉降分析

侯超群, 康 佐, 侯晓亮, 谭晓慧

(1.合肥工业大学 交通运输工程学院,安徽 合肥 230009;2.西安市地下铁道有限责任公司,陕西 西安 710018;3.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

西安地铁2号线下穿南门护城河段地表沉降分析

侯超群1, 康 佐2, 侯晓亮3, 谭晓慧3

(1.合肥工业大学 交通运输工程学院,安徽 合肥 230009;2.西安市地下铁道有限责任公司,陕西 西安 710018;3.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

为防止地铁施工造成西安市护城河的损坏,保证护城河的安全,依据相关标准和已有资料确定护城河地表沉降控制标准。文章结合施工工艺、场地工程地质条件和既有工程的数据资料,采用数值仿真方法建立三维模型对西安市地铁2号线穿越南护城河段的地表沉降进行分析计算,结果表明:盾构法施工造成地表最大沉降在11.2～13.5 mm之间,满足护城河沉降控制的要求。现场实测数据与计算结果有很好的一致性。

地铁施工;西安护城河;地表沉降;仿真分析

目前,我国许多城市面临着较为严重的交通压力,市民的出行极不方便。发达国家城市交通经验表明,地下铁道(地铁)是解决城市交通拥挤、保障市民快速出行的有效途径[1]。目前,我国的地铁建设已步入快速发展阶段,北京、天津、上海、广州、深圳、南京等大城市已建成了系统的城市地铁系统,西安、成都、武汉、无锡等城市也正在或将要修建地铁。

地铁施工引起地层缺失、地基应力释放以及孔压变化,在地表出现凹槽形沉陷变形[2]。实践表明,地基沉降和地表沉陷等变形问题是城市地铁建设不可回避的问题,因此施工过程中加强地表沉降变形监测,并通过监测数据及时调整施工工艺和进度是保障施工安全、保护既有建筑物安全的有效手段[3-5]。

西安市城市快速轨道交通2号线,北起西安铁路北客站,南至长安区,正线全长26.45 km;南北向通过西安主要城区,穿越北门(安远门)、南门(永宁门)护城河。西安城墙保护条例明确规定:护城河、明代城墙墙体、城门等列入保护范围,严禁对其损毁破坏。因此,为保证西安护城河的安全,确保把地铁引起的变形控制在容许范围内,本文借助数值仿真手段测算地铁施工引起的地表沉降变形,以有效地指导施工。

1 工程概况

地铁2号线穿越南门护城河段(起讫里程,右线:YDK14+356～YDK 14+401;左线:ZDK 14+354～ZDK 14+398),左右线分别从护城河底穿过,平面为直线,从南向北以2.515%(2.5%)下坡坡度穿越护城河区段,河床底部距隧道拱顶较近,如图1所示。

图1 护城河与隧道位置

鉴于西安地铁的地层条件以及钟楼、城墙、护城河等古建筑对沉降变形的要求,确定采用盾构法施工。

施工时的隆沉容易引起河床开裂,使河水与施工面贯通,引发隧道透水事故。参考国家和各地规范要求[6-8],并结合北门(安远门)护城河的地表变形观测资料,确定地表沉降值控制为+5～-20 mm,局部倾斜率小于0.002时,护城河处于相对安全状态。

2 工程地质条件

根据地铁二号线南门护城河段的岩土工程勘察资料,护城河区段地下水位标高在 396.56～398.29 m间变化;地下水的补给主要是来源于大气降水入渗、地表水体入渗和外围地下水向区间的径流;地下水的排泄主要是向区间外的径流和人工开采取水等。

护城河段属黄土梁洼区的黄土梁,称为“盎仆亮和荨北。地形自南而北呈梁洼交替起伏,梁洼长轴沿北东东至南南西向延伸。场地内地层为:地表分布厚薄不均全新统人工填土(Qml4);其下为上更新统风积(Qeol3)新黄土(局部为饱和软黄土)及残积(Qel3)古土壤,再下为中更新统风积(Qeol2)老黄土和冲积(Qal2)粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等。各土层物理力学指标见表1所列。

表1 地层土性参数

3模型的建立

采用Flac3D软件建立三维模型分析地铁开挖引起的地表变形。地层采用实体单元,M ohr-Coulomb材料模拟;管片采用shell单元,用弹性材料模拟;采用M ohr-Coulomb屈服准则;模型四周边界采用滚轴约束,下表面采用固定约束,上表面采用自由约束。

根据护城河段的地层特点和隧道设计资料,确定模型的几何参数:高 27.5 m,覆土厚度约9.5 m,宽60.0 m,纵向45.0m(30环管片宽),管片宽1.5m,模型如图2所示。

计算中,以河道为中心对称布置5个量测断面,如图3所示。通过这些断面处地表位移的计算反应护城河不同部位的变形,同时还可以反映上覆土层厚度对地表变形的影响。

图3 模型监测断面位置平面图

4 地表沉降变形分析

(1)地表沉降计算值分析。为反映量测断面处地表沉降变形的分布特点,研究变形影响的范围,将计算结果按量测断面整理如图4所示。

图4 量测断面地表沉降变形曲线

从图4可以看出,量测断面的地表沉降变形大致呈钟形以地铁中线为中心呈对称分布;最大地表变形在11.2～13.5mm之间,发生在地铁中线附近。由于河床坡度的影响,以及河床下分布厚度、尺寸不一的填土、挡墙及块石,导致岸坡及河床底部的变形存在突变和跳跃的特征(2-2断面、3-3断面及4-4断面);1-1断面和5-5断面地铁拱顶上覆土层较厚,对地表变形有一定的协调能力,因此沉降变形规律明显。

计算结果表明,西安市地铁2号线盾构施工引起的地表变形能够满足护城河对沉降的要求。

(2)现场实测沉降量。在上述仿真分析的指导下,地铁2号线顺利完成下穿南门护城河的主体工程。现场布置的沉降观测数据显示,施工后沉降变形稳定,最大隆起量0.4 mm,最大沉降量-16.5 mm,沉降曲线最大倾斜率0.001 6。现场实测地表变形数据见表2所列。

表2 南门护城河段量测断面最大变形值

5 结 论

本文结合西安地铁2号线穿越南门护城河段的工程特点,建立三维数值分析模型对盾构施工造成的地表沉降进行预测,得到以下结论:

(1)数值计算结果表明,地铁盾构施工引起的地表沉降大致呈钟形,以地铁中线为对称轴;最大沉降发生在地铁中线附近,地表最大沉降量在11.2～13.5 mm之间,满足护城河对沉降的要求。

(2)实际的地层分布、施工条件以及外荷载的影响造成实测地表变形数据与计算值有异,但两者在发展规律和变化趋势上吻合较好,验证了数值计算的合理性。

(3)借助数值分析手段计算地铁施工引起的地表变形,可有效地指导施工;与实测数据相比较,计算结果偏小,但仍能满足工程需要。

[1] 夏元友,张亮亮,王克金.地铁盾构穿越建筑物施工位移的数值模拟[J].岩土力学,2008,29(5):1411-1415.

[2] 田世文,杜新飞,张 柏.北京地铁10号线盾构下穿既有建筑物的控制措施[J].铁道标准设计,2008,(12):148-151.

[3] 申景宇.成都地铁1号线盾构掘进对建筑物安全的影响分析[J].现代隧道技术,2008,45(2):63-68.

[4] 熊兴国.北京地铁区间隧道浅埋暗挖法穿越高层建筑物施工技术[J].铁道标准设计,2007,(5):77-79.

[5] 郝凤山,段晶晶.开挖地铁对地表建筑物影响研究[J].科学技术与工程,2007,7(10):2437-2439.

[6] 衡朝阳,滕延京,陈希泉.地铁盾构隧道周边建筑物地基基础变形控制研究[J].地下空间与工程学报,2006,2(8):1336-1340.

[7] 朱衍峰,周晓军,邓 彬.地铁施工中地下建筑物对地表沉降的控制标准[J].四川建筑,2008,28(1):86-87.

[8] 李守继,楼梦麟.阻尼对地铁引起地面振动计算的影响[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2010,33(1):89-93.

Analysis of ground subsidence of south moat section in the construction of Xi'an No.2 subway line

HOU Chao-qun1, KANG Zuo2, HOU Xiao-liang3, TAN X iao-hui3

(1.School of Transportation Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China;2.Xi'an Mass Transit Railway Co.,Ltd.,Xi'an 710018,China;3.School of Resourcesand Environmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

To p reserve the Xi'an moat from being dam aged or distorted in the subway construction and keep it in good condition,theground subsidence control criterion for themoat is determ ined according to relative technical codes and existing data.Based on the construction technology,engineering geological conditions and theexisting engineering data,a three-dimensionalm odel is created by num erical simulation to calculate the ground subsidence of the south moat soction which is passed by Xi'an No.2 subway line from beneath.The resu lts show that the maximum ground subsidence between 11.2 mm and 13.5mm caused by shield construction meets the requirement of the moat subsidence control.Computing results have a good correspondencew ithmeasured values on site.

subway construction;Xi'an moat;ground subsidence;simu lation analysis

U416.1

A

1003-5060(2011)01-0102-03

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.024

2010-01-25;

2010-03-03

国家自然科学基金资助项目(40972194);中央高校基本科研业务费专项资助项目(2010HGZY0010)和合肥工业大学科学研究发展基金资助项目(080703F)

侯超群(1979-),男,安徽萧县人,合肥工业大学讲师;

谭晓慧(1971-),女,安徽宣城人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

(责任编辑 张 镅)