近接施工對地鐵隧道安全的影響研究*

張旭群，隋耀華，陳曉丹

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

在城市改造與擴容進程中，市政項目涉及的基坑、樁基等近接施工與既有地鐵隧道之間的相互影響是需考慮的焦點問題。由于地鐵隧道對變形的要求嚴格，基坑開挖產(chǎn)生的應力釋放不可避免地引起周圍土體出現(xiàn)位移，導致近接地鐵隧道產(chǎn)生附加應力和變形，可能對鄰近的地鐵隧道安全造成影響。因此，需評估近接施工的影響，并預測隧道附加變形量?？紤]地鐵結構嚴密性及安全性要求，在已建成的隧道中埋設監(jiān)測設備存在一定困難，故數(shù)值模擬分析為研究此類課題的重要方法。張保存等[1]以天津西站南廣場為例，模擬分析了基坑開挖對既有地鐵的影響，結果表明基坑開挖引起的結構變形主要表現(xiàn)為水平位移，豎向位移可忽略不計。高強等[2]以西安南門外綜合改造工程環(huán)城南路市政隧道上跨既有地鐵2號線盾構隧道為依托，對市政隧道基坑開挖對下臥地鐵盾構隧道的影響進行數(shù)值分析，并對隧道抗浮進行驗算。薛彥琪等[3]以長沙市近接地鐵1號線的大劇院項目為例，對深基坑開挖卸荷引起的地鐵隧道變形進行研究。張兵兵等[4]以濟南市近接地鐵R3線的醫(yī)養(yǎng)中心工程施工為例，進行了數(shù)值模擬分析，結果表明基坑開挖對隧道結構造成的影響在規(guī)范限值內(nèi)。孫雅珍等[5]以杭州某近接地鐵隧道基坑工程為例，對基坑近接施工造成的既有隧道及周圍土體影響進行了研究。劉波等[6]以深圳地鐵11號線、5號線隧道工程為例，研究了前海自貿(mào)區(qū)基坑開挖卸荷對隧道變形的影響。

城市立交橋建設中，需研究樁基對鄰近運營隧道的影響，樁基施工對周圍土體產(chǎn)生擾動，引起土體有效應力變化，從而改變周圍土體應力水平和位移，引起隧道結構附加變形和附加應力變化。樁徑、樁與隧間水平凈距等均對既有地鐵隧道安全產(chǎn)生影響。丁智等[7]、張偉等[8]和Schroeder等[9]均基于數(shù)值模擬和實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了樁基施工對既有隧道的影響。黃國超[10]通過開展有限元分析，研究了有無樁基對隧道穩(wěn)定性的影響。呂寶偉[11]進一步研究了樁基施工對隧道內(nèi)力及變形的影響。靳軍偉等[12]研究了樁基擠土過程對近接既有地鐵隧道變形與力學性能的影響。張誠等[13]對鄰近地鐵深基坑工程超深TRD工法進行了研究。

綜上所述，目前關于基坑、樁基等近接施工對地鐵隧道的影響研究多基于具體工程案例開展數(shù)值模擬分析，主要集中在隧道變形方面，但不同地區(qū)地質條件不同，地鐵結構在近接施工條件下的響應不同，既有研究成果難以直接借鑒和參考，需對具體工程進行具體分析。本文結合近接廣州地鐵22號線某快速路工程為依托，對基坑及樁基施工對地鐵隧道水平位移、豎向位移、結構內(nèi)力的影響進行分析。

1 工程概況

近接廣州地鐵22號線某快速路工程位于廣州南站商務區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)，全長2.986km，規(guī)劃紅線寬度80m，主線為雙向8車道，設計速度80km/h，輔道為雙向6車道，設計速度40km/h。本工程涉及橋墩樁基、上部混凝土箱梁、輔道地基、燃氣保護橋、新建電力隧道、雨水管施工等。

地鐵隧道洞身主要位于粉質黏土、細砂巖、泥質粉砂巖強風化層中，考慮樁基施工及路基填筑時土體側向卸載及頂部豎向加載可能產(chǎn)生隧道位移，隧道洞身所在位置巖土層物理力學特性對樁基施工產(chǎn)生的影響更敏感。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

根據(jù)擬建快速路與近接地鐵隧道的空間關系，基于MIDAS GTS/NX巖土分析軟件建立三維數(shù)值模型，如圖1所示。模型長270m，寬170m，土層計算深度為80m。土體采用彈塑性本構模型模擬，具體參數(shù)如表1所示。22號線盾構隧道管片內(nèi)徑7 700mm，外徑8 500mm，混凝土強度等級為C50，采用彈性本構模型模擬。

圖1 三維數(shù)值模型

表1 土體物理力學參數(shù)

2.2 邊界條件

模型底部約束z向位移，模型前、后面約束y向位移，模型左、右面約束x向位移。

2.3 荷載條件

荷載來源主要為巖土層自重、樁基自重、橋墩自重及現(xiàn)澆梁滿堂支架荷載，一般地面按20kPa考慮，樁基超載按40kPa考慮，現(xiàn)澆梁滿堂支架荷載按24kPa考慮。

在現(xiàn)狀道路上施工，荷載壓力擴散角取23°，地鐵覆土厚度為9.5m，荷載單邊擴散距離為4.03m，滿堂支架荷載可影響的左、右線隧道荷載范圍為46m×15.6m。荷載傳至地鐵頂部的面積為1 279.45m2，擴散至隧道頂部的應力為7.3kPa。對所有荷載應力擴散范圍進行分析，可知隧道頂部受滿堂支架荷載產(chǎn)生的附加應力為7.3kPa<20kPa，施工荷載滿足要求?，F(xiàn)澆梁支架施加在地面的附加荷載在地層擴散后使隧道結構產(chǎn)生的附加應力為13.46kPa<20kPa，施工荷載滿足要求。

2.4 模擬工況

共模擬8種施工工況，工況1模擬初始地應力狀態(tài)(考慮未開挖狀態(tài)的巖土層應力)，工況2模擬地鐵隧道施工，工況3模擬樁基、承臺開挖，工況4模擬樁基、承臺及橋墩灌注，工況5模擬頂管井、電力隧道井和圓管涵基坑開挖，工況6模擬基坑回填，工況7模擬高架段箱梁施工，工況8模擬路基填筑施工。

3 計算結果與分析

基坑、樁基等基礎施工前，隧道在上部土體和周圍土體的作用下處于相對平衡狀態(tài)，受近接施工的影響，打破了隧道原有的應力平衡狀態(tài)，隧道發(fā)生豎向和水平變形，應力重新分布。

3.1 隧道水平位移

工況3～8引起的隧道最大水平位移分別為0.15，0.22，0.57，0.63，0.70，0.72mm，滿足有關規(guī)范要求，工況3，4引起的隧道最大水平位移較小。工況3主要為成樁過程中樁孔側壁卸載引起的隧道水平位移；工況4主要為注漿壓力引起的隧道水平位移；工況5主要為基坑開挖過程隧道上方卸載及頂管井側壁卸載引起的隧道水平位移；工況6主要受基坑總回填量的影響；工況7主要為滿堂支架荷載引起的隧道水平位移；工況8由于路基應力呈水平層狀分布，路基填筑高度1.5～2.0m，隨著填筑的進行，路基應力增大，引起隧道局部應力相應增大，進而引起隧道右線靠近道路交叉口位置發(fā)生0.72mm的水平位移。

3.2 隧道豎向位移

工況3～8引起的隧道最大豎向位移分別為0.97，-1.04，2.19，-3.01，-3.59，-3.81mm。工況3，5由于基礎卸荷的影響引起坑底回彈，造成隧道隆起，豎向位移分別為0.97，2.19mm；其余工況均引起隧道沉降，路基填筑階段引起的隧道沉降最大，出現(xiàn)在隧道右線靠近道路交叉口位置，為-3.81mm。應注意基坑回填和高架段箱梁施工引起的隧道沉降不容忽視。

3.3 隧道結構內(nèi)力

工況2～8引起的隧道最大彎矩分別為282.01，285.94，281.89，281.87，281.92，281.93，288.93kN·m，可知工況4～7引起的隧道彎矩基本相同；地鐵隧道施工時的初始彎矩較小，路基填筑引起的隧道彎矩較大。

4 結語

本文基于MIDAS GTS/NX軟件建立了近接廣州地鐵22號線某快速路工程三維數(shù)值模型，對不同施工工況引起的隧道變形和結構內(nèi)力進行了研究。

1)隧道頂部受滿堂支架荷載產(chǎn)生的附加應力為7.3kPa，施工荷載滿足要求?，F(xiàn)澆梁支架施加在地面的附加荷載在地層擴散后使隧道結構產(chǎn)生的附加應力為13.46kPa，施工荷載滿足要求。

2)樁基、承臺開挖及灌注引起的隧道水平位移與豎向位移均較小，高架段箱梁施工及路基填筑引起的隧道水平位移與豎向位移均較大。

3)路基填筑施工是引起隧道水平位移、豎向位移及內(nèi)力變化的主要因素，影響范圍在靠近隧道路口處，引起的隧道最大水平位移為0.72 mm，最大豎向位移為-3.81mm，最大彎矩為288.93kN·m。