張 煒

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235)

0 引言

目前我國待建或在建的軌道交通項目大部分穿越城市中心區(qū)域。而城市中心區(qū)域(由于是老城區(qū))由于發(fā)展時間久、缺乏統(tǒng)一規(guī)劃致使老城區(qū)道路狹窄并存在大量老舊建(構)筑物以及密集的管線等對于地鐵施工及運營極為敏感的風險源。因而施工前對盾構隧道沿線周邊風險源進行辨識并采取針對性的保護措施顯得尤為重要。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

軌道交通建設過程中，尤其是盾構隧道施工時，會不斷地對盾構機前端及周圍土體產(chǎn)生擾動。盾構機在向前推進時，前方土體受到擠壓變形，使得盾構前方土體產(chǎn)生不同程度隆起。同時，管片拼裝完成之后，管片與土體之間存在不同程度的空隙，導致地層損失而引起沉陷。這些擾動都會對周邊建(構)筑物產(chǎn)生沉降、傾斜、裂縫等等不良事故。

為了避免此類事故的發(fā)生，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。我國住房和城鄉(xiāng)建設部及國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了GB 50652—2011 城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范(下文簡稱《風險規(guī)范》)，并于2012年1月1日起實施。

《風險規(guī)范》規(guī)定了軌道交通項目在不同實施階段需要進行的風險研究，其中軌道交通地下工程施工環(huán)境影響的分級首先按照條文說明7.3.4 中表6 確定鄰近關系，再按照條文說明7.3.4中表7 進行定級。

為了安全起見，大部分城市在地鐵設計時，會根據(jù)《風險規(guī)范》均采用投影距離。但同時，此種判定方法忽略了不同埋深下的盾構隧道對于地表影響的不同，因此會造成在設計和施工上的浪費。針對上述問題，筆者結合實際工程對不同埋深的盾構隧道對地表建構筑物的影響進行了分析。

2 工程概況

本文選取哈爾濱軌道交通3 號線二期工程某段盾構進行研究，隧道全長約596 m，沿線為哈爾濱市核心區(qū)域，線路兩側均為密集的居住及商業(yè)建筑，同時存在大量的歷史保護建筑。隧道線路縱斷面采用2‰，14.23‰，2‰的單向坡，隧道中心線最淺埋深為8.65 m，最深處為21.60 m。根據(jù)勘察報告，該場地地層結構從上到下依次為:表層由①雜填土組成;上部地基土主要由粉細砂組成，分別為②1粉質(zhì)粘土、②2粉砂、②3細砂、②4中砂;中間主要由中粗砂夾厚薄不均的粘性土組成，分別為⑦1粘土、⑦2中砂;下部基巖為⑧1全風化白堊紀泥巖。

3 計算模型

本文采用plaxis 有限元軟件，建立二維平面應變模型，對盾構穿越兩層歷史保護建筑進行模擬，選取同一斷面不同深度進行對比。隧道襯砌及地面建筑用板單元模擬，土體采用H-S 模型，用15 節(jié)點的三角形單元劃分網(wǎng)格。為了進行對比，分別選取了盾構中心線埋深12.5 m 及22 m 兩種深度進行計算分析。

在模擬隧道開挖時，有徑向收縮法、應力釋放法、等代層法及注漿壓力法等一系列方法。在本次plaxis 模擬計算中，采用徑向收縮法來模擬地層損失，取收縮率為0.5%。

4 計算結果及分析

經(jīng)計算，可以得出如圖1～圖4 及表1 所示結果。

圖1 淺埋工況土體豎向變形云圖

圖2 深埋工況土體豎向變形云圖

表1 計算結果統(tǒng)計表

由計算結果可知，當隧道中心處于12.5 m 埋深處時，應屬于淺埋隧道，其上覆土應按全土柱模式計算。圖1 顯示了此埋深下土體豎向位移變化，由于隧道開挖引起的上方土變形近似為隧道上方豎向區(qū)域內(nèi)，地表影響范圍較小，但豎向沉降值較大。且由于影響范圍較小，使得建筑物接近于隧道處的沉降大于遠離處的沉降，造成不小的差異沉降，如圖3 所示。而當隧道中心處于22 m 埋深時，由圖2 可看出隧道上方土體變形已不止是隧道正上方，而是沿著隧道底部形成一漏斗形區(qū)域。土體由于擾動形成了明顯的拱效應。變形最大土體在隧道正上方形成了高約10 m 的拱。由此可以看出，此時已符合深埋隧道的特點。而隧道上方形成的塌落拱可按太沙基公式近似計算，計算模型如圖5 所示。

圖3 淺埋工況隧道兩側建筑物底板豎向沉降

圖4 深埋工況隧道兩側建筑物底板豎向沉降

圖5 壓力拱模型簡圖

覆土厚度H=19 m，計算半徑R0約為3 m。根據(jù)太沙基理論公式可得出:

由上式可知，根據(jù)太沙基理論公式所求得的塌落拱土體高度h0與plaxis 計算出的變形拱的高度吻合，故根據(jù)計算可知，雖然隨著隧道埋深的增加，盾構施工對地表的變形影響區(qū)域會增大，但由于土體塌落拱的形成，使得地表的變形量反而減小，并且由于范圍的加大，引起建筑物豎向沉降的范圍也相應加大，從而使得建筑物自身的差異沉降相對減小。由此可見，同一土層中，隧道埋深越深，反而對地面建筑影響越小并趨于有利。

5 結論與建議

1)根據(jù)本次模擬計算可知，盾構隧道施工對于地面建筑，尤其是淺基礎的磚木結構建筑，影響很大。如果不做好保護措施，會導致不良后果;隧道施工會使已有建筑物產(chǎn)生差異沉降，對于年代久遠的歷史建筑，差異沉降將嚴重威脅建筑安全。

2)計算結果顯示，不同埋深的盾構隧道，對地表淺基礎建筑影響不同。隨著埋深的增加，地表受影響區(qū)域不斷加大。

3)雖然隧道施工在地表引起的范圍隨深度不斷增加，但其對于地表的影響程度卻隨著盾構隧道埋深的增加而降低，因此當遇到地面風險源時，可適當增加隧道埋深來降低風險。

4)隨著盾構隧道埋深的增加，砂性土中會逐漸形成拱效應，而土拱之外的土層所受到的影響會相應減小。因此設計和施工時，如果可以充分利用此效應，使周邊建(構)筑物處于此范圍之外，可在一定程度上降低風險，降低相應加固量，從而起到控制施工質(zhì)量和成本的作用。

［1］GB 50652—2011，城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范［S］.

［2］中國土木工程學會，同濟大學.地鐵及地下工程建設風險管理指南［Z］.2007.

［3］The International Association of Engineering Insurers (IMIA).Human factors in engineering risk［Z］.The International Association of Engineering Insurers Working Group No.8，2000.

［4］GB 50157—2013，地鐵設計規(guī)范［S］.

［5］劉建行，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.