长沙地铁4号线区间对湖南大学工程馆影响分析

刘 磊

中铁第四勘察设计院集团有限公司

长沙地铁4号线区间对湖南大学工程馆影响分析

刘 磊

中铁第四勘察设计院集团有限公司

研究目的：湖南大学工程馆为国家重点保护文物，侧穿湖大工程馆是长沙地铁4号线工程的难点之一。为分析盾构侧穿对湖大工程馆的影响，本文分别采用经典的Peck法和PLAXIS有限元法对盾构施工过程进行了理论计算分析，根据计算结果制定了相应的文物保护措施，同时对地铁运营过程中列车震动对工程馆产生的影响进行了理论分析。为同类工程积累了经验。

研究结论：在不采取保护措施的情况下，隧道开挖完成后，湖南大学工程馆最大沉降在靠近盾构区间一侧，约2.8mm，与采用peck经验公式计算出的2mm接近，满足标准要求。湖大工程馆前后约790m路段采用液体阻尼钢弹簧浮置板道床，采取措施后地铁引起的振动速度降低至0.112mm/s,低于《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）规定的限值，湖南大学工程馆的振动速度维持现状。

地铁；盾构隧道；文物；钢弹簧浮置板道床；减震

1 引言

我国城市轨道交通建设日益增多，存在较多城市轨道交通线路需穿越既有铁路情况。地铁区间盾构施工必须保证铁路安全和正常运营，目前类似且已经成功的实例已不鲜见。本文就长沙地铁4号线湖阜区间盾构施工对国家重点保护文物湖南大学工程馆的影响进行了理论分析，并提出了相关保护措施为后续相关工程提供参考[1～4]。

2 工程概况

湖南大学站～阜埠河路站区间隧道出湖南大学站后，沿麓山南路向南前进，在麓山南路与牌楼路交叉口从湖南大学国家重点保护文物湖南大学工程馆东侧经过，区间隧道采用盾构法施工。湖南大学工程馆，今为湖南大学教学北楼。建于1947年，建筑面积7430㎡。著名建筑学家、建筑教育家柳士英设计，目前已被列为国家重点保护文物。鉴于本段文物的重要性，通过对城墙的基础资料的研究、对区间埋深进行研究，对不同的隧道施工状态对建筑物基础的影响大小的研究，提出相应的对策，达到对文物影响最小、可实施性强的目的，为盾构施工提供技术保证。

地铁隧道结构采用预制钢筋混凝土管片，外径6m，内径5.4m，管片厚度300mm。

湖南大学站～阜埠河路站区间出湖南大学站后沿麓山南路向南前进，在下穿牌楼路后，在牌楼路与麓山南路交叉口西南角从湖南大学工程馆东侧经过。区间采用盾构法施工，区间隧道与工程馆基础最小水平净距约10.41m，最小竖向净距约9.29m。盾构区间隧道主要位于中风化灰岩地层。

地铁区间隧道与工程馆相互位置关系如图1所示。

图1 地铁区间隧道与工程馆相互位置关系图

3 Peck法估算地表沉降

1）Peck经验公式

其中：

Sx——横向地表沉降量；

Vl——盾构隧道单位长度地层损失量，m3/m；

x——地表距离隧道中心线的水平距离；

Smax——隧道中心线处最大地表沉降量；

i——沉降槽宽度系数（隧道中心线至沉降反弯点的距离），；

R——盾构半径；

Z——盾构中心处埋深。

采用peck经验公式法分析湖南大学工程馆沉降量详见图2。本次分析以隧道施工地层损失率为1%考虑。运用peck公式计算得到工程馆基础的最大沉降量为2mm，满足标准要求。

图2 工程馆段盾构引起的地面沉降随距离变化图

2）湖南大学工程馆实体建筑距离盾构结构边线约10.41m，理论计算结果显示盾构施工产生的沉降满足标准要求，考虑到文物的历史价值及盾构施工可能存在的不确定性，施工时建议采取必要的防护措施。

4 盾构掘进对既有铁路影响数值分析

4.1 有限元模型及工况

本次模拟计算使用岩土工程专业软件PLAXIS8.2进行二维有限元模拟，计算将根据其单元特性选择实体单元进行模拟围岩以及板单元模拟支护结构体。

本计算模型盾构隧道直径取6m，模型宽度约为70m，垂直方向为35m，垂直方向从地表向下选取埋深，隧道埋深取11.3m，模型尺寸满足边界的影响。本报告主要分析盾构隧道通过湖南大学工程馆时，工程馆及隧道结构的稳定性、安全性。模型中x轴方向为水平方向,向左为正；y轴为垂直方向，具体模型见图3。

图3 盾构隧道对湖南大学工程馆影响分析模型

4.2 计算参数及工况

1）地层计算参数

围岩参数按照《长沙市轨道交通4号线一期工程KC-2标段初步勘察阶段岩土工程勘察报告》进行选取如表1，管片力学参数见表2。

表1 围岩参数

表2 管片支护计算力学参数表

2）计算工况

计算中考虑先施作一条隧道，隧道施工模拟时共考虑10个工况，即隧道开挖至站台1下方→开挖至站台1与站台2之间轨道下方→开挖至站台2下方→开挖至站台2与站台3之间轨道下方→开挖至站台3下方→开挖至站台3与站台4之间轨道下方→开挖至站台4下方→开挖至站台4与站台5之间轨道下方→开挖150m完毕[6]。然后再模拟施工另一条隧道，同样考虑10个工况。

4.3 盾构穿越对地表沉降影响分析

隧道开挖后的地表变形及盾构变形规律如下图所示。

图4 盾构区间对工程馆影响分析z向位移云图

由图4可知，隧道开挖完成后，湖南大学工程馆最大沉降在靠近盾构区间一侧，约2.8mm，与采用peck经验公式计算出的2mm接近，满足标准要求。

5 下穿段环境振动影响分析

1）古建筑防工业振动技术标准

《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）规定,以水平方向的振动加速度作为评价指标，具体的标准值如表3所示。

表3 古建筑砖结构的容许振动速度（mm/s）

2）监测结果分析

根据监测结果，湖南大学工程馆的基础处的水平振动速度为0.05mm/s，承重结构最高处的水平振动速度为0.25mm/s,对照《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）的标准，湖南大学工程馆的振动速度现状超标0.10mm/s。

3）预测结果分析

根据《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）的有关公式进行预测，预测湖南大学工程馆的承重结构最高处的水平振动速度为2.0mm/s,对照《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）的标准，湖南大学工程馆的振动速度超标1.85mm/s。

4）减震措施及效果

钢弹簧浮置板道床是将浮置板置于螺旋钢弹簧隔振阻尼器上，浮置板的质量设计得越大减振性能更好，采用固体阻尼时减振效果约为12～15dB，采用液体阻尼时减振效果可达20-25dB，低频段减振效果更明显。

图5 钢弹簧浮置板道床

钢弹簧浮置板道床维修更换方便，无需动用大型设备更换隔振阻尼器，不影响行车，适用于各种隧道结构。隔振阻尼器使用寿命长，可中置也可侧置。但其造价较高，液体阻尼钢弹簧浮置板单线每公里造价约2000万元。

本工程从湖南大学工程馆东侧12.9m（外轨中心线与工程馆结构边线距离）处经过，该路段（YAK29+360～YAK30+150）段（约790m）拟采用液体阻尼钢弹簧浮置板道床，采取措施后地铁引起的振动速度降低至0.112mm/s,低于《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）规定的限值，湖南大学工程馆的振动速度维持现状。

6 保护措施

根据前面分析，湖南大学工程馆实体建筑距离线位最近水平距离约10.41m，竖向距离约9.2m，隧道盾构施工影响较小，只要施工工法得当，盾构施工产生的地面沉降在二者容许的沉降范围内，不会影响文物建筑本体的安全。为了更好的保护文物，提出如下文物保护方案。

1）施工前，合理地进行盾构机选型，控制好工作面土方开挖，保持工作面土压力稳定；

2）组织盾构区间施工，首先右线先通过，施工过程中加强地表沉降及建筑倾斜监测，根据监测结果指导左线施工；

3）盾构推进的初始100m长度作为实验段，根据地面变形监测数据及盾构施工所采用的参数，不断优化调整，以使盾构在全线推进中，能随地质、物探、环境条件变化而动态变化地、合适地确定施工参数，保证盾构匀速、连续通过；

4）盾构推进时，对盾构外径及衬砌外径间的环行空隙同步压注浆液，减少盾尾通过后隧道外周围形成的空隙，减少隧道周围土体的水平位移及因此而产生的负摩阻力；

5）随时调整盾构施工参数，减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落和挤密现象。为防止管片环变形，必须使用形状保持装置等来确保管片组装精度，同时充分紧固接头螺栓；

6）施工的安全风险管理按照特级风险点进行控制管理和进行风险评价，制定施工期文物安全应急预案；

7）现场监控量测项目、测点布置、监测手段与监测频率监测重点包括：湖南大学工程馆监测和盾构区间监测湖南大学工程馆下盾构区间具体的监测项目、监测布点同正常的盾构区间一致进行监控量测布点处理，但频率须加密，另外尤其还要对湖南大学工程馆周边进行地面沉降观测。

7 结论

本次研究结合地铁盾构隧道侧穿既有文物施工经验，并结合理论计算和现场实测结果，得到以下结论：

1）长沙市轨道交通4号线一期工程的建设，不伤及各类文物保护单位的主体，不破坏长沙“山、水、洲、城”的完整性，基本上不会影响长沙历史文化名城格局和风貌；

2）按照文化遗产保护相关要求对建筑高度、体量、色彩、风格等外观风貌等方面进行相关设计。在建筑高度、体量、色彩、风格等方案，遵循与湖南大学工程馆整体景观风格一致、与周边环境相协调的原则；

3）线路经过湖南大学国家重点保护文物工程馆区段位于20m保护范围内，建筑基础与区间隧道水平净距约10.41m，竖向净距约9.2m，经计算地铁线路对工程馆影响满足沉降控制标准，但为保证工程馆在施工过程中的安全，制定了严格的保护措施及应急预案；

4）本工程下穿湖南大学工程馆文物路段，地铁引起的振动速度超标量1.85 mm/s，拟采用液体阻尼钢弹簧浮置板道床，措施实施后工程馆处地铁引起的振动速度达标，工程馆的振动速度可维持现状。

[1]吕培林,周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析[J].中铁路道科学,2007(2).

[2]高俊强,胡灿.盾构推进和地表沉降的变化关系探讨[J].南京工业大学学报(自然科学版),2005(4).

[3]凌昊,仇文革等.双孔盾构隧道近接施工离心模型试验研究[J].岩土力学,2010,9(31):2849～2853.

[4]田海波,宋天田.轨道交通9号线下穿铁路工程风险及对策研究[J].地下空间与工程学报,2007(1).

刘磊（1983-），男，河南洛阳人，硕士，工程师，主要从事地下隧道领域的设计与研究工作。