土方回填對(duì)地鐵隧道安全性影響研究

■雷開亮 張凱

（1中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司陜西西安710016；2機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西西安710043）

土方回填對(duì)地鐵隧道安全性影響研究

■雷開亮1張凱2

（1中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司陜西西安710016；2機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西西安710043）

西安市半坡國(guó)際廣場(chǎng)利用工程位于地鐵一號(hào)線半坡站附近，土方回填對(duì)地鐵一號(hào)線半坡站的安全影響極為重要，保證地鐵車站的安全是項(xiàng)目成立的前提條件。本文采用三維數(shù)值模擬軟件對(duì)施工過程進(jìn)行模擬，動(dòng)態(tài)分析土方回填過程中盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展，并評(píng)估盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，得出土方回填對(duì)地鐵一號(hào)線半坡車站的安全性影響評(píng)估結(jié)論。

土方回填 地鐵隧道 數(shù)值模擬 安全影響

1 引言

地基土的回填直接對(duì)周邊土層的產(chǎn)生擾動(dòng)，從而將內(nèi)力和變形傳遞到隧道洞室上，影響其安全使用狀態(tài)。由于西安地鐵的重要地位，在周邊進(jìn)行地下空間開發(fā)建設(shè)對(duì)其安全影響分析受到各方的重要關(guān)注，并成為項(xiàng)目是否可行的關(guān)鍵。

2 工程概況

2.1 西安地鐵一號(hào)線概況

西安地鐵第二條開工的線路，于2013年09月投入運(yùn)營(yíng)，全長(zhǎng)約25.40公里，設(shè)19座地下車站。線路西起位于未央?yún)^(qū)的后衛(wèi)寨站，東至位于灞橋區(qū)的紡織城站。

2.2 工程概況及回填方案

本工程與地鐵一號(hào)線半坡站最近距離約50m浐， 河站～半坡站區(qū)間在景觀廣場(chǎng)正下方穿過。

土方回填項(xiàng)目與一號(hào)線 浐河站～半坡站區(qū)間平面關(guān)系見下圖1，圖中半坡國(guó)際廣場(chǎng)項(xiàng)目景觀廣場(chǎng)分為左右兩部分，右側(cè)區(qū)域（藍(lán)色部分）進(jìn)行了土方回填，最大回填厚度約5.25m。紫色區(qū)域?yàn)榫植糠鎏莼?，該處比原地面?biāo)高降低約2m，四周設(shè)置擋墻，場(chǎng)地范圍內(nèi)最大回填厚度約5.25m。

圖1 半坡國(guó)際廣場(chǎng)項(xiàng)目與 浐～半?yún)^(qū)間平面關(guān)系圖

2.3 工程地質(zhì)條件

據(jù)勘探揭露，本區(qū)間地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土，沖積黃土狀土、粉質(zhì)黏土、粗砂、圓礫土、卵石土，上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土，中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、粗砂、圓礫土、卵石土等構(gòu)成。實(shí)測(cè)場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深介于7.10～12.50m之間，相應(yīng)標(biāo)高為396.75～398.57m，屬潛水類型。場(chǎng)地地下水位上黃土具濕陷性。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004），屬非自重濕陷性黃土場(chǎng)地。

3 土方回填對(duì)隧道影響的數(shù)值分析

3.1 數(shù)值分析概況

采用美國(guó)專業(yè)巖土軟件FLAC3D進(jìn)行模擬計(jì)算，考慮到數(shù)值模擬邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算模型適當(dāng)外擴(kuò)和放大，最終模型大小為100m×180m×50m（X、Y、Z方向）。

3.2 計(jì)算參數(shù)的選取

土體材料本構(gòu)模型采用莫爾庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型，各參數(shù)均根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果取值。

各土層參數(shù)最終取值如下表所示。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算選取值

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的各力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)計(jì)算選取值

3.3 地基土回填對(duì)地鐵隧道安全影響分析

計(jì)算中，兩條縱向的地下盾構(gòu)隧道等代層為實(shí)體單元，襯砌管片為殼結(jié)構(gòu)單元。模擬從盾構(gòu)施工一直到土方回填的整個(gè)過程結(jié)束后的土體位移情況。盾構(gòu)模擬為循環(huán)開挖，每環(huán)管片1.5m。土方回填采用從1m～5m逐步增加，動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)施工過程。

圖2 全部回填后地層豎向位移

圖3 全部回填后盾構(gòu)襯砌變形

將盾構(gòu)結(jié)構(gòu)隨著土方回填的變形結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

表3 盾構(gòu)襯砌最大變形統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算結(jié)果表明，隨著土方回填的增加，盾構(gòu)襯砌的彎矩、軸力、剪力遞增。當(dāng)土方全部回填后，盾構(gòu)襯砌的最大彎矩為127.3kN.m，最大軸力為668kN。

分析得出，當(dāng)土方回填2m時(shí)，通過斷面分析隧道沿縱向每10m差異沉降最大值為1.6<0.04%Li，滿足要求；當(dāng)回填土高度達(dá)到5m時(shí)，隧道差異沉降最大值為5.064>0.04%Li，不滿足沉降要求，但經(jīng)驗(yàn)算，滿足受力要求。

4 結(jié)論

三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示：全部施工完成后，地面最大沉降30mm左右，以固結(jié)沉降為主；盾構(gòu)隧道頂最大沉降為20mm，盾構(gòu)隧道底最大沉降為17.5mm，差異值很??；全部施工完成后，沿隧道縱向沉降差很小，隧道變形曲率半徑很大，遠(yuǎn)大于15000m，滿足相關(guān)要求。全部施工完成后，盾構(gòu)襯砌的最大彎矩為127.3kN.m，最大軸力為668kN，經(jīng)驗(yàn)算，滿足受力要求。

所以本項(xiàng)目上覆土回填完成后，會(huì)對(duì)地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形產(chǎn)生影響，但這些影響尚在安全范圍內(nèi)。各項(xiàng)變形及差異變形滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。因此綜合判定地基土回填不會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)造成安全影響。

[1]謝明.地下空間開發(fā)對(duì)下方鐵路隧道安全影響分析 [J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013,(9):1449-1456.

[2]張麗娟，孫巍，謝明，等.豎向近距離卸載對(duì)既有隧道影響的數(shù)值分析 [J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6 (增 1):1408-1412.

[3]杜文考,趙建華.土方回填夯實(shí)質(zhì)量對(duì)建筑物的影響 [J].內(nèi)蒙古科技與技術(shù)，2007， (8):357.

U45[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-5-481-1

雷開亮（1987～），男，本科，研究方向?yàn)榈叵驴臻g與隧道工程設(shè)計(jì)。