臨近工程對地鐵結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性影響分析

朱晶晶

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

1.1 建設(shè)概況

集美新城環(huán)山道路工程總長5.159km，采取雙線4車道布設(shè)形式，設(shè)計速度為80km/h，項目所在地位于廈門軌道交通1號線區(qū)間（巖內(nèi)北廣場站—洞口），里程范圍為YDK32+856.459～YDK32+904.18、YCR2DK0+000（YDK32+904.184）～YCR2DK1+347.000，總長度為1394.725m，施工期間易對既有的地鐵工程結(jié)構(gòu)造成干擾。對此，項目部精準(zhǔn)鎖定地鐵安全保護區(qū)的實際范圍，對該處的道路施工作業(yè)展開全面的分析，給出安全評估方案，提出相應(yīng)的防控措施。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

地勘結(jié)果表明，施工現(xiàn)場地層組成復(fù)雜，以第四系全新統(tǒng)人工填土（Qs）黏土質(zhì)素填土居多，同時分布?xì)埛e砂質(zhì)黏性土、中砂等，下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)南園組（J3n）凝灰熔巖。水文方面，地表水不發(fā)育，分布大量的第四系孔隙水以及適量的基巖裂隙水，水位埋深為0.4～4.8m。

2 臨近施工下地鐵結(jié)構(gòu)變形機理

臨近地下工程施工伴有較明顯的擾動性影響，易導(dǎo)致周邊地層失穩(wěn)，使該處的初始應(yīng)力較正常狀況發(fā)生明顯變化，地層存在不同程度的變形[1]。隨著變形量的逐步積累，當(dāng)突破某臨界值后將嚴(yán)重影響既有建（構(gòu)）筑物的正常使用。而基坑施工所處位置普遍較為特殊，周邊地下管線分布密集，在保質(zhì)保量完成基坑施工的同時還需兼顧周邊情況，最大限度減少周邊的土體變形現(xiàn)象，減輕擾動性影響。

例如，若基坑周邊建設(shè)有地鐵隧道，施工全程應(yīng)嚴(yán)格控制地鐵隧道的絕對變形量，應(yīng)保證該值始終不超過20mm，且曲率應(yīng)在1/15000以下。需明確，基坑維持穩(wěn)定性并不等同于臨近隧道不發(fā)生變形現(xiàn)象，因此在基坑施工的同時應(yīng)高度注重對開挖擾動性的分析，明確此時周邊地面的沉降與橫向位移情況。

基坑的設(shè)計與施工中應(yīng)充分考慮到新建基坑工程與既有結(jié)構(gòu)物的關(guān)系，此方面也是地鐵結(jié)構(gòu)鄰近施工領(lǐng)域極為關(guān)鍵的課題，值得深入探討。

3 基坑工程施工數(shù)值模擬

該工程施工條件特殊，主要在于建設(shè)區(qū)域分布在已運營的地鐵1號線安全控制范圍內(nèi)，因此基坑施工期間必須以合理的方式確保臨近工程處于安全的狀態(tài)。為準(zhǔn)確預(yù)估地鐵1號線隧道區(qū)間的狀況，文章結(jié)合實際條件創(chuàng)建三維有限元模型，根據(jù)所得結(jié)果評價支護設(shè)計方案的可行性。

3.1 計算假定

假定土層均為勻質(zhì)水平層狀并同時具有各向同性的特點，暫不考慮施工現(xiàn)場地下水的耦合作用，同時結(jié)構(gòu)物所發(fā)生的變形以及受力值都處于可控狀態(tài)，即穩(wěn)定在彈性范圍內(nèi)。基坑開挖暫不考慮時間效應(yīng)，隧道結(jié)構(gòu)在計算域內(nèi)沿直線水平延伸。

3.2 模型概況

模型以地鐵1號線站體結(jié)構(gòu)（含抗浮樁）為主體，除此之外還包含風(fēng)道結(jié)構(gòu)、隧道區(qū)間、支護結(jié)構(gòu)及周圍土體。因荷載作用，結(jié)構(gòu)在堆土施工期間采用二維斷面復(fù)核方式進行計算，并分別考慮最高和最低水位工況。堆土段環(huán)山路施工二維最高水位工況如圖1所示。

圖1 堆土段環(huán)山路施工二維最高水位工況圖（單位：kN）

根據(jù)施工條件創(chuàng)建的不同路段有限元模型，所得結(jié)果如圖2所示。圖2（a）模型為板單元模擬的方式，尺寸為長300m、寬100m、高50m，包含133813個單元，4個區(qū)間。圖2（b）模型長100m、寬100m、高40m，共劃分17014個節(jié)點，92558個單元。

一般情況下，需按如下流程完成模擬作業(yè)：地應(yīng)力平衡→開挖與支護→放坡施工（環(huán)山路下穿高速公路段）→隧道主體結(jié)構(gòu)施工→環(huán)山路剩余施工段的挖填方作業(yè)。

除此之外，模型邊界條件指的是頂面為自由邊界，底部為固定邊界，四周約束其法向位移。對于計算荷載的選擇，重點考慮的是施工階段，即此時的土層和結(jié)構(gòu)自重，周邊堆載數(shù)值取20kPa。土體計算參數(shù)選擇的是實體單元，參數(shù)來源途徑包含地勘資料和基于既有工程所積累的經(jīng)驗值，明確土性具有高度相似性的土層，對其執(zhí)行歸并處理?；訃o、換撐、地鐵站體及風(fēng)道結(jié)構(gòu)、水平支撐現(xiàn)澆板、隧道結(jié)構(gòu)均為殼單元模擬，水平支撐、抗浮樁為梁單元模擬[2]。所有結(jié)構(gòu)體統(tǒng)一為線彈性本構(gòu)模擬方式，以設(shè)計圖紙為依據(jù)確定具體的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖2 不同路段有限元模型

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬可分不同的施工段從土體沉降、拆除水平支撐、坑圍結(jié)構(gòu)變形以及地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)變形等方面進行總結(jié)。基坑開挖至坑底時，土體的卸荷效應(yīng)最大，導(dǎo)致坑外及坑內(nèi)土體產(chǎn)生豎向位移，并對周圍土體產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)向基坑方向發(fā)生位移，使得底部土體產(chǎn)生一定的隆起。而開挖引起圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力發(fā)生改變，圍護結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變形。由于對撐及邊桁架的存在，圍護結(jié)構(gòu)Y向的水平位移要小于X向的水平位移。施工完成，圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移出現(xiàn)在基坑開挖至坑底，發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)中部。X方向最大水平位移為15.2mm，Y方向最大水平位移為13.7mm。

（1）礦山區(qū)間結(jié)果分析。①位移方面。數(shù)值模擬結(jié)果表明，路基開挖將導(dǎo)致礦山區(qū)間二襯結(jié)構(gòu)發(fā)生上浮變形現(xiàn)象，各階段的豎向位移量存在差異，最大達到6.26mm，橫向變形最大值為0.56mm。相比于10mm的要求而言，最大值6.26mm相對更低，因此變形處于可控狀態(tài)，滿足穩(wěn)定性要求。②內(nèi)力方面。通過數(shù)值模擬的方式可以得知，伴隨工況的變化，礦山區(qū)間結(jié)構(gòu)所具有的受力狀態(tài)不盡相同，其中最大橫向彎矩為113.71kN·m，最大縱向彎矩為78.41kN·m，兩者的發(fā)生規(guī)律具有一致性，均集中在放坡施工期間。設(shè)置的二襯厚度為0.55m，主筋28@150、配筋16@150，具有足夠的承載力，可滿足要求。

（1）明挖區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)果分析。該工程中，由于明挖段受力比較簡單明確，通過斷面計算可清晰地分析其結(jié)構(gòu)的安全與否，并校核原計算結(jié)果及配筋結(jié)果，以此得出明挖區(qū)間的位移和內(nèi)力結(jié)果分析[3]。計算分析表明，填土施工對明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)的位移影響較為輕微，明挖區(qū)間最大沉降值為1.34mm＜10mm，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求；明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大彎矩值為1137kN·m，原有區(qū)間結(jié)構(gòu)配筋方案為28@150+28@150，原配筋方案滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。①位移方面。環(huán)山路路基填方施工作業(yè)量較大，期間易對既有明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響，具體有以下幾種：填土施工過程中伴有持續(xù)性的土體加載作用，將迫使隧道結(jié)構(gòu)變形，其中以豎向沉降最為明顯；明挖區(qū)間墻板偏厚，具有相對較大的剛度，存在小幅度位移變形。②內(nèi)力方面。路基填方施工中，明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)的彎矩值發(fā)生變化，最大可達到1137kN·m，主要集中在底板兩側(cè)位置。該處的板結(jié)構(gòu)厚度0.8m，采取的是以C40混凝土為材料澆筑而得的方式，配置28@150+25@150主筋，根據(jù)既有條件展開驗算，得知該處承載力可滿足要求。

（3）側(cè)穿段邊坡結(jié)果分析。邊坡防護是維持既有工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要手段[4]。該工程中，環(huán)山路側(cè)穿段施工會直接影響圍巖的變形以及周邊邊坡面變形等情況，而為提高計算精度，在該處施工前也可采用簡化二維的數(shù)值模擬方式來進行計算，以此得出邊坡的穩(wěn)定性；土體單元可采用CPE4R（平面應(yīng)變縮實體單元）模擬法，底邊采用固定約束，兩側(cè)限制法向位移。經(jīng)計算得知，側(cè)穿段的坡率與原有1號線廈門北車輛段相同，可滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語

集美新城環(huán)山道路工程各環(huán)節(jié)施工對既有軌道交通1號線區(qū)間的影響較為微弱，既有工程結(jié)構(gòu)的位移量都控制在10mm以下，達到《廈門軌道交通地鐵保護管理標(biāo)準(zhǔn)（試行）》的要求。此外，原結(jié)構(gòu)配筋方案也具有可行性，施工期間隧道結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定狀態(tài)，所提的評估方法具有參考價值。