謝春華

（深圳市前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)管理局，廣東 深圳 518054）

0 引言

新建結(jié)構(gòu)物在既有結(jié)構(gòu)物一定影響范圍內(nèi)進(jìn)行施工，對既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生一定不利影響的工程稱之為近接工程[1]。目前，國內(nèi)由于城市軌道交通日趨完善，地鐵隧道工程不可避免地會近接其他構(gòu)筑物施工，難免對既有構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響，針對這一問題，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。如：李光偉[2]運用ABAQUS建立三維有限元模型，從鐵路橋樁基位移、傾斜及內(nèi)力的變化方面模擬盾構(gòu)隧道開挖對臨近橋梁的不利影響；賀美德、劉軍等[3]以北京地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道近距離側(cè)穿高層建筑為背景，采用有限元計算和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對新建隧道施工所引起的鄰近高層建筑物的結(jié)構(gòu)沉降、基礎(chǔ)傾斜進(jìn)行深入研究。但少有新建橋梁近接既有運營地鐵隧道施工的工程與研究，如路飛、鄭剛[4]通過三維有限元數(shù)值模型模擬立交橋橋墩樁基的成孔施工、運營期樁基承擔(dān)荷載在土中產(chǎn)生的應(yīng)力擴散對既有隧道結(jié)構(gòu)與軌道變形產(chǎn)生的影響，并分析了單個承臺樁基礎(chǔ)及考慮多個承臺樁基礎(chǔ)疊加效應(yīng)對鄰近既有隧道的影響規(guī)律。所以研究如何合理確定新建橋梁施工對既有運營地鐵隧道的影響具有十分重要的理論研究和現(xiàn)實意義。

鑒于此，本文以深圳前海合作區(qū)新建景觀橋梁上跨運營地鐵隧道為背景，通過M IDAS/GTS建立三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值計算，對既有地鐵隧道變形與受力進(jìn)行研究。

1 工程概況

該項目為前海合作區(qū)規(guī)劃中的10號景觀橋，橋位位于地鐵1、5和11號線保護(hù)范圍內(nèi)，目前三條地鐵線均處于運營中，5、11號線位于景觀橋的正下方，1號線位于該工程的東側(cè)。景觀橋和地鐵的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有隧道斷面圖及交叉段平面圖

1、5和11號線均已經(jīng)建成，均為雙線行車，采用盾構(gòu)施工，盾構(gòu)隧道采用圓形截面，結(jié)構(gòu)外徑為6 m。

1號線位于景觀橋東側(cè)，且樁基與1號線結(jié)構(gòu)邊緣最小凈距為 31.7 m；5號線與景觀橋工程范圍相交，隧道頂標(biāo)高為-6.38～-7.16 m，承臺基坑底部距離地鐵結(jié)構(gòu)外邊緣距離最小為4.625 m；11號線與景觀橋工程范圍相交，隧道頂標(biāo)高為-10.05～-11.94 m，承臺基坑底部距離地鐵結(jié)構(gòu)外邊緣距離最小為8.95 m。

該地段分布的地層主要有人工填土層、第四系海相沉積層、第四系沖洪積層及殘積層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖及加里東期混合巖。場地地下水主要為松散孔隙潛水和基巖風(fēng)化裂隙水，人工填土與地表水及大氣降水聯(lián)系緊密，地下水的補給條件好，但地下水離散性大，場地地下水相對較貧乏；基巖裂隙水水量較小，含水層通道呈網(wǎng)絡(luò)狀，具各向異性。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型的建立

隧道開挖引起的應(yīng)力重分布只在一定范圍內(nèi)進(jìn)行，因而計算范圍只要合理選取就能保證模擬的精確。經(jīng)過理論分析與工程實踐經(jīng)驗所得，隧道開挖后引起的應(yīng)力和應(yīng)變改變范圍為3～5倍隧道開挖直徑。因此計算邊界一般可確定為3～5倍開挖隧道寬度[5]。綜合考慮隧道斷面大小、與承臺基坑間距等后，計算模型幾何尺寸分別定為185 m、170 m、45 m，如圖 2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

由于樁基與1號線結(jié)構(gòu)邊緣最小凈距為31.7m，相對凈距大于3D（D為盾構(gòu)直徑6 m），接近程度為不接近，故可忽略對1號線隧道結(jié)構(gòu)的影響分析。

2.2 模型參數(shù)的選取

根據(jù)巖土工程勘察報告，結(jié)合已有工程經(jīng)驗與《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004）[6]等相關(guān)文獻(xiàn)，模型參數(shù)取值見表1和表2。

2.3 考察點的選取

由于本文主要研究隧道上方承臺基坑的開挖施工對下方地鐵隧道的影響，且該項目南北承臺基坑相距較遠(yuǎn)，相互影響較弱，所以本文以南側(cè)承臺基坑下方隧道結(jié)構(gòu)為考察點。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 施工模擬與分析工況

在整個10號景觀橋的建造施工以及投入使用的過程中，南北承臺基坑開挖的施工對既有地鐵隧道的擾動影響是明顯的，基坑開挖施工順序的建立是模型分析的關(guān)鍵所在。

如圖3所示，該次分析工況先計算初始應(yīng)力，然后激活南側(cè)管片、樁基與鋼支撐，然后E1、F1、E2、F2 后 G1、G2、H 1、H 2 的開挖施工，同理激活并開挖北側(cè)，主要分為40個工況，即40個施工步。

圖3 橋梁承臺基坑分塊開挖平面圖

2.5 地鐵保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

鑒于地鐵隧道運營安全的考慮，本文以南側(cè)承臺下隧道結(jié)構(gòu)位移、縱向變形曲線的曲率半徑與隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力研究分析對地鐵隧道的影響：

（1）結(jié)構(gòu)絕對隆起量、沉降量及水平位移量不大于10 m m（包括各種加載和卸載的最終位移量）。

（2）隧道縱向變形曲線的曲率半徑R≥30 000 m。

（3）由于建筑物垂直荷載（包括基礎(chǔ)地下室）及降水、注漿等施工因素而引起的隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力不大于 10 kPa（1t／m2）。

3 對既有地鐵隧道的影響分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)變形

施工過程中會引起既有隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起變形，必須要保持既有隧道結(jié)構(gòu)變形在控制范圍之內(nèi)。故在施工過程中既有隧道結(jié)構(gòu)最大變形的變化曲線如圖4所示。

圖4 南側(cè)承臺下既有地鐵隧道最大變形

由圖可知，承臺基坑的開挖引起隧道結(jié)構(gòu)以豎向位移為主的位移，且隨著南側(cè)承臺基坑的不斷開挖與施工，X、Y和Z方向（X方向為垂直隧道軸線方向，Y方向為隧道軸線方向，Z方向為豎直方向）的絕對最大位移值均逐漸增大，由于北側(cè)承臺距考察點間距較大，所以繼續(xù)開挖北側(cè)承臺基坑，隧道各方向的最大位移值均不再增加，地鐵隧道的變形已達(dá)到最大值。其中，X方向位移最大值為1.44 m m，Y方向位移最大值為0.61 m m，Z方向位移最大值為5.76 m m。隧道各位移的量值小于城市軌道交通保護(hù)規(guī)范對位移的限值，地鐵隧道是安全的。

3.2 隧道縱向變形曲線的曲率半徑

隧道縱向變形曲線曲率半徑越小，則對隧道結(jié)構(gòu)越不利，因此根據(jù)分析可知，隧道縱向變形曲線曲率半徑最小值應(yīng)出現(xiàn)在隧道最大上浮位移值附近，故選取隧道縱向變形曲線最大上浮位移值附近一系列節(jié)點，以每三個相鄰節(jié)點為一組求其曲率半徑，取其最小值。曲率半徑公式如下：

式中：（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）分別為試樣上標(biāo)記的三點坐標(biāo)。

依據(jù)上式計算結(jié)果見表3。

表3 曲率半徑計算表

隧道縱向變形曲線曲率半徑的最小值為31275m，其值大于地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30 000 m，滿足地鐵隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力

承臺基坑的開挖施工會引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，并且距基坑越近，隧道結(jié)構(gòu)所受影響越大，故選取南側(cè)承臺基坑下方隧道左右兩側(cè)與隧道頂部和底部土體分別觀測記錄隧道結(jié)構(gòu)X于Z方向附加應(yīng)力的變化，從而分析基坑開挖作用對隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的影響。

3.3.1 隧道結(jié)構(gòu)X方向附加應(yīng)力的變化

基坑未開挖前，11號線周圍特征點初始值分別為203.61 kPa、207.88 kPa，5號線周圍特征點初始值分別為148.44 kPa、145.24 kPa，如圖5所示；開挖過程中，11號線周圍特征點應(yīng)力極值分別為202.5 kPa、206.64 kPa，5號線周圍特征點的極值分別為146.95 kPa、144.16 kPa，如圖6所示。

因此，11、5號線X方向附加應(yīng)力值分別為-1.11 kPa、-1.24 kPa和 -1.49 kPa、-1.08 kPa。

3.3.2 隧道結(jié)構(gòu)Z方向附加應(yīng)力的變化

圖5 基坑未施工前土體X方向應(yīng)力初始值（單位：kPa）

圖6 基坑開挖過程中X方向應(yīng)力極值（單位：kPa）

基坑未開挖前，11號線周圍特征點初始值分別為232.69 kPa、350.75 kPa，5號線周圍特征點初始值分別為149.62 kPa、281.18 kPa，如圖7所示；基坑開挖過程中，11號線周圍特征點的極值分別為228.52 kPa、348.75 kPa，5號線周圍特征點的極值分別為145.27 kPa、279.83 kPa，如圖8所示。

圖7 基坑未施工前土體Z方向應(yīng)力初始值（單位：kPa）

圖8 基坑開挖過程中Z方向應(yīng)力極值（單位：kPa）

因此，11、5號線Z方向附加應(yīng)力值分別為-4.17 kPa、-2.00 kPa和 -4.35 kPa、-1.35 kPa。

根據(jù)上述結(jié)果，隧道結(jié)構(gòu)X和Z方向附加應(yīng)力增量的極值分別為-1.49 kPa和-4.35 kPa，均小于0，表明承臺基坑開挖不會引起隧道結(jié)構(gòu)附加荷載的增加，對結(jié)構(gòu)有利。

4 結(jié)語

該次分析利用大型有限元軟件M IDAS/GTS，根據(jù)地質(zhì)資料及上述基坑支護(hù)方案，建立了三維地層模型及三維基坑支護(hù)模型，對承臺基坑開挖引起的既有隧道結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了計算，得到如下結(jié)論：

（1）隨著地鐵隧道上方承臺基坑的開挖，隧道結(jié)構(gòu)變形逐漸增大，且與軸線垂直向位移（X方向）最大值為1.44 m m，軸向（Y方向）位移最大值為0.61 m m，豎向（Z方向）位移最大值為5.76 m m。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013），盾構(gòu)地鐵隧道各位移的量值小于城市軌道交通保護(hù)規(guī)范對位移的限值，在隧道結(jié)構(gòu)位移控制方面，采用上述地鐵保護(hù)方案是較為安全的。

（2）隧道縱向變形曲線曲率半徑、隧道相對變曲以及隧道管片X和Z方向特征點附加應(yīng)力增量均滿足地鐵隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于類似的文獻(xiàn)資料和工程實踐資料相對較少，模擬效果也有待于進(jìn)一步驗證，因此建立在工程實測資料基礎(chǔ)之上并且符合實際情況的計算模型是亟須解決的問題，這樣模擬結(jié)果才能指導(dǎo)近接工程的設(shè)計與施工。