新建建筑上跨施工對(duì)淺埋大斷面隧道結(jié)構(gòu)的安全影響研究

壽敖宜

【摘要】隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)密布城市地下空間。為了提高城市軌道交通周邊土地的使用價(jià)值，在既有的地鐵周邊甚至地鐵正上方的工程建設(shè)也日益增加。地鐵上部基坑開挖時(shí)，隧道頂部土體卸載會(huì)引起既有地鐵隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力，該附加應(yīng)力會(huì)使地鐵隧道產(chǎn)生相應(yīng)的變形及內(nèi)力變化。當(dāng)既有隧道產(chǎn)生的變形及內(nèi)力變化過(guò)大時(shí)，將影響地鐵結(jié)構(gòu)的安全甚至影響地鐵運(yùn)營(yíng)的安全，一方面可以通過(guò)土體加固措施減小土體開挖對(duì)既有地鐵隧道的影響，另一方面可以優(yōu)化施工工序及加強(qiáng)監(jiān)測(cè)保證既有隧道的變形和內(nèi)力變化在安全范圍之內(nèi)。所以，為了保證既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全，研究上跨地鐵的基坑施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的影響變得非常重要。

【關(guān)鍵詞】基坑施工;隧道結(jié)構(gòu);有限元分析

1引言

淺埋大斷面隧道上方新建建筑附加荷載通過(guò)圍巖傳遞至隧道結(jié)構(gòu)，會(huì)增大隧道襯砌內(nèi)力，影響隧道運(yùn)營(yíng)安全。囿于邊界條件、圍巖性質(zhì)、荷載分布等眾多影響因素，附加荷載在淺埋大斷面隧道圍巖中的傳遞規(guī)律復(fù)雜，最終作用于襯砌結(jié)構(gòu)的附加荷載難以確定，在此前提下，如何合理評(píng)估附加荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用仍是工程實(shí)踐中的重要課題。

2上跨地鐵區(qū)間的基坑開挖土體加固方法

上跨既有隧道基坑開挖時(shí)，在土層較差或者基坑底距離隧道頂部間距較小時(shí)，往往需要對(duì)開挖區(qū)域及隧道周邊全部或者局部進(jìn)行土體加固，常用方法包括①固化物灌入法：以石灰、水泥等化學(xué)材料灌入地層中，使地層與化學(xué)材料合成一體，增強(qiáng)土層強(qiáng)度;②加筋法：將大規(guī)模的高強(qiáng)度加筋材料（例如鋼筋混凝土、土工合成材料等）置于土層中，增強(qiáng)土層的承載能力;③置換法：為了達(dá)到減小沉降和增強(qiáng)承載力的效果，將地基中的強(qiáng)度較差的土體去掉，用力學(xué)性質(zhì)較好的巖土材料替換;④排水固結(jié)法：因?yàn)橥馏w排水固結(jié)后，可以減小土體間的空隙，提高土體強(qiáng)度，通過(guò)相關(guān)方法使土體達(dá)到排水固結(jié)的效果能達(dá)到土體加固的效果;⑤擠密、振密法：用擠密或振動(dòng)的方法使土體密實(shí)，從而達(dá)到土體加固的效果。由于各個(gè)地區(qū)地層的差異，土體加固的方案也有差異。上海及周邊地區(qū)軟弱地層多為淤泥質(zhì)土，埋藏較淺，下部為粉質(zhì)粘土層，含水量相對(duì)較低，一般加固原則為：坑內(nèi)淤泥質(zhì)土采用抽條加固，主要起控制變形作用。廣州4號(hào)線南延段位于南沙區(qū)，軟弱土層較厚，軟土主要為海陸交互相沉積淤泥、淤泥質(zhì)土一般加固原則為基坑深度內(nèi)采用抽條+裙邊加固，加固深度一般為基底以下3～4m，主要起控制變形作用及方便開挖，底板下設(shè)置單排或多排工程樁的形式控制沉降。福州地區(qū)主要為淤泥、淤泥質(zhì)粘土，例如地鐵1#線樹兜站淤泥層厚達(dá)15m，埋深3～18.7m，基底以上淤泥層較厚，局部深入基底以下1～3m，其上為雜填土、粘土，其下為粉質(zhì)粘土層。采用加固方案為坑內(nèi)采用雙軸攪拌樁加固。

3上跨地鐵的基坑施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全影響有限元分析

文中以廣州地鐵六號(hào)線某地鐵區(qū)間隧道為研究對(duì)象，通過(guò)有限元分析，研究其上部基坑施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。

3.1工程概況

地鐵區(qū)間上方基坑所處的地層情況依次為：雜填土層、中砂層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粘土層、粉質(zhì)粘層土層、全風(fēng)化花崗巖層，地鐵隧道主要出于全風(fēng)化花崗巖層。地鐵上方基坑與地鐵隧道的平面關(guān)系圖見圖1，剖面關(guān)系圖見圖2?；訃o(hù)樁樁底距離地鐵隧道拱頂垂直距離約1.3m?；臃秶譃锳、B、C0、C1、C2、C3、C4七個(gè)區(qū)域，開挖前，對(duì)C0、C1、C2、C3、C4（地鐵正上方基坑范圍）進(jìn)行攪拌樁加固，C0區(qū)域不開挖。

3.2有限元分析模型

本次有限元三維分析選擇MIDAS-GTS計(jì)算軟件。有限元模型如圖3所示，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵區(qū)間的位置關(guān)系如圖4所示。

3.3有限元分析參數(shù)

采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則模擬巖土體的材料特性基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道結(jié)構(gòu)采用彈性材料進(jìn)行有限元分析。

3.4有限元分析工況

本次分析針對(duì)地鐵隧道上方基坑施工的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，共分23個(gè)工況即23個(gè)施工步驟，具體如表2所示。

3.5有限元分析結(jié)果

本次分析中在S0～S3進(jìn)行位移清零，以S3的變形和內(nèi)力值為基礎(chǔ)，通過(guò)分析后續(xù)施工步基坑開挖引起的位移（見圖5）、內(nèi)力等的變化，根據(jù)該變化值來(lái)判斷基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響。基坑開挖過(guò)程中，地鐵隧道豎向變形變化情況詳見圖6，地鐵隧道最大彎矩變化情況詳見圖7。

根據(jù)圖5結(jié)果可知：隨著基坑的開挖，地鐵隧道發(fā)生了一定變形，主要表現(xiàn)為隧道隆起量較大，隧道沉降量較小，在施工過(guò)程中，地鐵隧道隆起量隨著開挖進(jìn)行逐漸增大，施工完主體結(jié)構(gòu)后，地鐵隧道隆起量會(huì)變小，最大隆起量發(fā)生施工步S5，最大隆起量達(dá)到了16.4mm，滿足規(guī)范要求。根據(jù)圖6結(jié)果可知：隨著基坑的開挖，地鐵隧道彎矩發(fā)生了一定變化。未施工主體結(jié)構(gòu)前，地鐵隧道彎矩隨著開挖進(jìn)行逐漸減小，施工完主體結(jié)構(gòu)后，地鐵隧道彎矩會(huì)變?cè)龃?，最大彎矩發(fā)生在B區(qū)主體結(jié)構(gòu)施工后（S10），最大彎矩達(dá)到了222kN·m，與初始步驟（S3）的彎矩194kN·m相比，增大了14.4%，滿足結(jié)構(gòu)安全。由以上結(jié)果可知，上跨地鐵區(qū)間的基坑施工過(guò)程中，由于地鐵隧道上方土體卸載作用，地鐵區(qū)間隧道產(chǎn)生較大的隆起變形和較大的內(nèi)力變化，而采用土體加固和優(yōu)化基坑開挖工序等方法可以將地鐵隧道的變形和內(nèi)力變化控制在合理的范圍之內(nèi)。

4結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外上跨地鐵區(qū)間基坑開挖對(duì)地鐵隧道影響的研究成果，綜合各地區(qū)基坑開挖土體加固方法，以廣州地鐵6#線地鐵區(qū)間為研究對(duì)象，采用三維有限元分析方法，研究上跨地鐵的基坑施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全影響，得出以下結(jié)論：（1）國(guó)內(nèi)外上跨地鐵區(qū)間基坑開挖對(duì)地鐵隧道影響的研究主要有理論研究、數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法。（2）土體加固的方法較多，實(shí)際工程中應(yīng)該根據(jù)每個(gè)地區(qū)的土層特征選取合適的加固方式，從而減小基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響。（3）三維有限元分析可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)上跨地鐵區(qū)間的基坑施工過(guò)程中，地鐵隧道變形變化和內(nèi)力變化趨勢(shì)，其結(jié)果表明：地鐵隧道上方土體卸載作用會(huì)引起地鐵區(qū)間隧道產(chǎn)生較大的隆起變形和較大的內(nèi)力變化，而采用土體加固和優(yōu)化基坑開挖工序等方法可以將地鐵隧道的變形和內(nèi)力變化控制在合理的范圍之內(nèi)。

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