趙強政

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢 430063）

近年來，隨著我國城市化進程的加快，我國的大中城市越來越多，各城市都在竭力打造立體的現(xiàn)代化交通體系，城區(qū)范圍內(nèi)市政公路隧道和地鐵隧道成為重要的選擇并呈蓬勃發(fā)展之勢。然而，城區(qū)范圍內(nèi)地下各類管網(wǎng)密布、地面沿線商業(yè)發(fā)達，多為建筑物密集的繁華地區(qū)，人流量大、交通繁忙，區(qū)間隧道施工環(huán)境十分復(fù)雜，常常面臨近距離穿越既有隧道和管線、鐵路站線、建筑物基礎(chǔ)和橋墩基礎(chǔ)等不利情況［1］。

在盾構(gòu)施工過程中，不可避免地會對上覆土體產(chǎn)生擾動。盾構(gòu)施工引起土體變形進而造成對既有建筑物的影響己成為現(xiàn)今研究的熱點，國內(nèi)外許多學(xué)者對此類問題開展了許多卓有成效的研究，如李東海［2］等采用現(xiàn)場實測的方法探討了盾構(gòu)隧道斜交下穿既有地鐵車站的相互影響。徐干成［3］等建立了三維有限差分模型，研究了地鐵盾構(gòu)隧道下穿京津城際高速鐵路影響。李永利［4］等采用三維有限元方法探討了地鐵盾構(gòu)隧道下穿重力式墩橋施工措施及其相互影響。

然而，在復(fù)雜而擁擠的城市環(huán)境中地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道往往同時近距離下穿既有隧道及鄰近高層建筑基礎(chǔ)等多種建筑物，相關(guān)案例及研究不多。鑒于此，本文以某城市地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有城市公路隧道、高層建筑箱型基礎(chǔ)的案例為研究對象，采用三維數(shù)值分析法研究了地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿既有公路隧道以及建筑基礎(chǔ)引起的地層移動規(guī)律，以及三者之間的相互影響，可為今后類似工程的設(shè)計施工提供參考。

1 計算模型的建立

1.1 計算模型的選擇

計算采用三維有限元軟件ANSYS進行，模型總體圖見圖1。從圖中可見，既有公路隧道位于雜填土層中，新建地鐵盾構(gòu)隧道位于中密卵石土完全風(fēng)化層。新建隧道管片襯砌的外徑為6m，內(nèi)徑為5.4m，管片厚300mm，管片幅寬為1.5m。模型中，地層、既有公路隧道圍護樁、建筑物箱型基礎(chǔ)均采用solid45實體單元來模擬，盾構(gòu)管片采用shell43殼單元來模擬，并考慮管片結(jié)構(gòu)的橫觀各向同性性質(zhì)以及盾構(gòu)機和管片的相互作用［5］。襯砌管片厚0.3m，注漿層厚0.15m，隧道埋深10m，兩隧道中心之間的水平距離為5m。計算時按自重應(yīng)力場考慮，地面建筑豎向荷載按每層12kN／m2計算。

圖1 計算模型總體圖

1.2 土層和材料參數(shù)

計算模型中共采用10種不同的材料分別模擬地層、紅星路下穿隧道圍護樁、工商銀行箱型基礎(chǔ)、襯砌管片和注漿層。模型選取管片材料參數(shù)及隧道所穿越地層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

在計算完初始地應(yīng)力后即進行盾構(gòu)隧道開挖，盾構(gòu)機每步開挖3m便立即施作襯砌和壁后注漿，先開挖左線隧道，然后再開挖右線隧道。

2 計算結(jié)果分析

2.1 地層隆沉分析

地層的沉降云圖見圖2。由圖可見，由于隧道近距較小，2條隧道開挖后沉降槽產(chǎn)生了交疊。當(dāng)左線隧道開挖后，地表的最大沉降發(fā)生在左線隧道正上方，最大沉降值約為10mm。右線隧道開挖后，左、右線隧道上方的地表沉降量均有所增加，地表的最大沉降值接近15mm。地表最大沉降值較小，滿足地表沉降規(guī)定的范圍（一般城市地表沉隆基準(zhǔn)為＋10～－30mm）。

圖2 地層沉降云圖 （單位：m）

2.2 公路隧道及圍護樁的影響分析

左線地鐵盾構(gòu)隧道將從既有公路隧道下方右側(cè)圍護樁下破樁通過，勢必將引起既有公路隧道以及圍護樁的附加位移和應(yīng)力，見圖3。

圖3 公路隧道圍護樁位移云圖 （單位：m）

由圖3可見，當(dāng)左線隧道從公路隧道右下側(cè)穿過，右側(cè)圍護樁發(fā)生的下沉情況比左側(cè)圍護樁嚴(yán)重，右側(cè)圍護樁最大下沉量為15.32mm，左側(cè)圍護樁最大下沉量為2.13mm。且當(dāng)左線隧道貫通后，圍護樁的沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定，右線開挖后對圍護樁沉降影響很小。由圍護樁的側(cè)向位移可以看出，右側(cè)圍護樁因為在左線隧道正上方基本未發(fā)生側(cè)向位移，而左側(cè)圍護樁發(fā)生了傾斜，但側(cè)傾變位量值并不大。

從左線隧道貫通到右線隧道貫通，圍護樁最大拉應(yīng)力變量為0.34MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左右兩側(cè)樁的頂部。而從左線隧道貫通到右線隧道貫通，圍護樁最大壓應(yīng)力變量為0.1MPa。雙線隧道貫通后，圍護樁上的最大壓應(yīng)力為13MPa，且主要發(fā)生在左側(cè)圍護樁上，其應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 圍護樁應(yīng)力云圖 （單位：Pa）

從公路隧道的變形來看，由于左線隧道從其右下側(cè)穿過，公路隧道的路面及側(cè)壁均發(fā)生了不均勻沉降，出現(xiàn)向右傾斜情況。公路隧道路面最大沉降值為15mm，傾斜率為0.108%，其沉降位移云圖見圖5。

圖5 公路隧道位移云圖 （單位：m）

由公路隧道的應(yīng)力來看，從左線隧道貫通到右線隧道貫通，下穿隧道最大拉應(yīng)力變量為0.91 MPa。而從左線隧道貫通到右線隧道貫通，下穿隧道最大壓應(yīng)力變量為1.01MPa。雙線隧道貫通后，下穿隧道的最大壓應(yīng)力為9.39MPa，主要發(fā)生在道路右側(cè)沒有圍護樁的部分，見圖6。

圖6 公路隧道應(yīng)力云圖 （單位：Pa）

2.3 鄰近施工對建筑物基礎(chǔ)的影響分析

由于所建地鐵盾構(gòu)隧道鄰近建筑物施工，對建筑物也產(chǎn)生了擾動，造成其基礎(chǔ)發(fā)生變形。其中，箱型基礎(chǔ)的沉降云圖見圖7。由于箱型基礎(chǔ)在右線隧道右側(cè)且距離較近，盾構(gòu)隧道開挖后建筑物發(fā)生左傾趨勢。隧道雙線貫通后，箱型基礎(chǔ)最大沉降值為7.51mm。

圖7 箱型基礎(chǔ)沉降云圖 （單位：m）

盾構(gòu)掘進過程中有可能基礎(chǔ)產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，從而使基礎(chǔ)開裂影響承載力。從左線隧道貫通到右線隧道貫通，箱型基礎(chǔ)最大拉應(yīng)力變量為0.11MPa，變化很小。而從左線隧道貫通到右線隧道貫通，箱型基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力增量為0.02MPa，變化很小。雙線隧道貫通后，箱型基礎(chǔ)上的最大壓應(yīng)力為2.55MPa，其應(yīng)力云圖見圖8。

圖8 箱型基礎(chǔ)應(yīng)力云圖 （單位：Pa）

3 結(jié)語

（1）新建地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有公路隧道時，地層的反復(fù)擾動將引起地表沉降的疊加，進而引起公路隧道路面發(fā)生下沉與輕微傾斜。由于設(shè)置了圍護樁，一定程度上減緩了開挖的影響。

（2）隧道下穿施工將使公路隧道右下側(cè)的被破圍護樁發(fā)生明顯的沉降、側(cè)移以及應(yīng)力變化，其最大拉應(yīng)力主要發(fā)生在右側(cè)被破圍護樁頂部，最大壓應(yīng)力發(fā)生在左側(cè)圍護樁處，施工時應(yīng)進行重點監(jiān)控，并根據(jù)實際情況調(diào)整施工參數(shù)，如果有需要可以進行樁基加固以確保安全。

（3）新建地鐵盾構(gòu)隧道近接施工將造成既有建筑箱型基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降與傾斜，并有可能使基礎(chǔ)產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力從而使基礎(chǔ)開裂影響承載力。而圍護樁的設(shè)置在一定程度上減緩了開挖對建筑物基礎(chǔ)的影響，使建筑物基礎(chǔ)沉降、傾斜變位以及拉、壓應(yīng)力等都處于可控范圍內(nèi)。

［1］ 劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1991.

［2］ 李東海，劉 軍，蕭 巖，等.盾構(gòu)隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（S1）：3186－3192.

［3］ 徐干成，李成學(xué)，王后裕，等.地鐵盾構(gòu)隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析［J］.巖土力學(xué)，2009，30（S2）：269－272.

［4］ 李永利，趙旭偉，周冠南，等.地鐵盾構(gòu)隧道下穿重力式墩橋施工措施及影響分析［J］.施工技術(shù)，2010（8）：83－86，100.

［5］ 何 川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響［J］.土木工程學(xué)報，2008，41（3）：91－98.