張瑋鵬

（廣州大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院）

1 引言

廣州地鐵八號(hào)線北延段沿線分布有多條斷裂構(gòu)造帶，受多組向斜和背斜構(gòu)造控制，沿線地層起伏劇烈、巖層破碎且?guī)r溶發(fā)育，局部見洞率高達(dá)80%，局部砂層厚達(dá)30m，局部淤泥層厚達(dá)20m，地質(zhì)情況極為復(fù)雜，給地鐵建設(shè)和保護(hù)帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)[1]。本文采用Midas-GTSN X 軟件建立了有限元分析模型，研究分析深厚淤泥及砂土組合地層中基坑開挖及樁基施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，為深厚砂淤組合地層中軌道交通的建設(shè)和保護(hù)提供參考借鑒。

2 工程概況

本文選取石亭區(qū)間里程Y D K28+560～Y D K29+060 某斷面進(jìn)行分析研究，該斷面地層自上而下為：雜填土（4.0m）、粉質(zhì)粘土（2.0m）、淤泥質(zhì)土（8.5m）、礫砂層（4m）和微風(fēng)化灰?guī)r（31.5m）。隧道頂埋深為地面下9.5m，隧道底埋深為地面下15.5m，隧道底進(jìn)入礫砂層1.0m。巖土地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 巖土地層物理力學(xué)參數(shù)

3 深厚砂淤組合地層中基坑開挖對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

為分析深厚砂淤組合地層中基坑開挖對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，本文假定基坑的開挖寬度為30～45m，開挖深度為5m、10m、15m、20m，距離隧道的水平凈距離為5m、15m、25m 和50m，采用支護(hù)樁+混凝土內(nèi)支撐支護(hù)。由于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形對(duì)隧道的位移量影響很大，因此模擬基坑開挖分析時(shí)，假定各種基坑開挖深度下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移控制在25～30mm 之間[2-3]?；谝陨霞俣?，建立有限元分析模型如圖1 所示，分析計(jì)算結(jié)果見表2、表3、圖2、圖3。

由表2、表3、圖2、圖3 可得：隨著基坑開挖深度的增加，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平及豎直位移逐漸增大，當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到10m(與隧道頂深度較為接近時(shí))時(shí)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平位移明顯增大，隨后隨著基坑開挖深度的增加，隧道水平及豎直位移的增量逐漸減小；同時(shí)，隨著隧道與基坑水平距離的增加，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平及豎直位移逐漸減小，當(dāng)隧道與基坑的水平距離大于20m 時(shí)，隧道的水平及豎直位移量減小較為明顯，當(dāng)隧道與基坑的水平距離達(dá)到50m 時(shí)，基坑開挖對(duì)隧道的影響已經(jīng)較不明顯。

表2 基坑施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的水平位移匯總（mm）

表3 基坑施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移匯總（mm）

圖1 基坑與地鐵隧道的有限元三維等軸側(cè)視圖

圖2 基坑施工時(shí)地鐵隧道的水平方向位移最大值變化等色圖(20m 深度)

圖3 基坑施工時(shí)地鐵隧道的豎直方向位移最大值變化等色圖(20m 深度)

綜上可知，在地鐵隧道周邊5m 范圍內(nèi)開挖基坑時(shí)，易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)變形超《廣州市城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定》預(yù)警值甚至控制值，因此在深厚砂淤組合地層中應(yīng)嚴(yán)格控制隧道周邊5m 范圍內(nèi)的基坑開挖施工，或根據(jù)實(shí)際情況禁止5m 范圍內(nèi)的基坑開挖施工；5～25m 范圍應(yīng)作為隧道的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)；25～50m范圍應(yīng)作為隧道的保護(hù)區(qū)。由于本模型模擬的基坑是固定大小，實(shí)際項(xiàng)目可根據(jù)基坑大小按一定比例修正表格中結(jié)果。

4 深厚砂淤組合地層中樁基施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

為分析樁基施工對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，本文假定樁基為1.0m 直徑的嵌巖樁，距離隧道的水平凈距離為1m、3m、5m、10m、15m、20m、25m，樁基礎(chǔ)采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁施工。樁基施工對(duì)隧道的影響主要包括成孔時(shí)地層擾動(dòng)地應(yīng)力釋放、泥漿護(hù)壁和混凝土灌注三個(gè)方面，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，泥漿重度宜取11k N/m3，側(cè)壓力系數(shù)宜取1；混凝土灌注時(shí)按最不利情況考慮，即混凝土剛灌注尚未硬化時(shí)，流動(dòng)的混凝土側(cè)壓力系數(shù)取0.7，以此分析鉆孔灌注混凝土樁基施工對(duì)隧道的影響?；谝陨霞俣?，建立有限元分析模型如圖4 所示，分析計(jì)算結(jié)果見表4、表5、圖5、圖6。

圖4 樁基與地鐵隧道的有限元三維等軸正視圖

表4 樁基施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的水平位移匯總（mm）

表5 樁基施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移匯總（mm）

圖5 樁基施工時(shí)地鐵隧道的水平方向位移最大值變化等色圖

圖6 樁基施工時(shí)地鐵隧道的豎直方向位移最大值變化等色圖

由圖5～圖6、表4～表5 可得：隨著隧道與樁基距離的逐漸增加，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平及豎直位移逐漸減小，當(dāng)隧道與樁基距離大于5m 時(shí)，隧道位移減量明顯減小，當(dāng)隧道與樁基距離達(dá)到20m 時(shí)，樁基施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響已較不明顯。

綜上可知，地鐵隧道5m 外的樁基施工對(duì)隧道的影響相對(duì)較小，但本地層的淤泥深厚極容易發(fā)生成孔過程塌孔現(xiàn)象，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格把控樁基施工質(zhì)量，以免塌孔引起周邊地鐵變形位移，且樁基應(yīng)跳孔施工。因此，隧道周邊3m 范圍內(nèi)應(yīng)禁止樁基施工，隧道周邊3～10m范圍內(nèi)應(yīng)作為樁基施工的隧道重點(diǎn)保護(hù)范圍，隧道周邊10～20m 范圍內(nèi)應(yīng)作為樁基施工的隧道保護(hù)范圍。由于本模型模擬的樁基直徑為1.0m，實(shí)際項(xiàng)目可根據(jù)樁基直徑按一定比例修正表格中結(jié)果。

5 結(jié)論與建議

基于以上分析計(jì)算結(jié)果，本文得到以下結(jié)論并建議如下：

⑴隨著基坑開挖深度的增加，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平及豎直位移逐漸增大，當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到10m(與隧道頂深度較為接近時(shí))時(shí)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平位移明顯增大，隨后隨著基坑開挖深度的增加，隧道水平及豎直位移的增量逐漸減??；同時(shí)，隨著隧道與基坑水平距離的增加，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平及豎直位移逐漸減小，當(dāng)隧道與基坑的水平距離大于20m 時(shí)，隧道的水平及豎直位移量減小較為明顯，當(dāng)隧道與基坑的水平距離達(dá)到50m 時(shí)，基坑開挖對(duì)隧道的影響已經(jīng)較不明顯。

⑵隨著隧道與樁基距離的逐漸增加，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平及豎直位移逐漸減小，當(dāng)隧道與樁基距離大于5m 時(shí)，隧道位移減量明顯減小，當(dāng)隧道與樁基距離達(dá)到20m 時(shí)，樁基施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響已較不明顯。

⑶對(duì)于深厚淤泥及砂土組合地層中地鐵隧道周邊的基坑開挖工程，隧道的保護(hù)范圍建議取50m，其中5m以內(nèi)為禁止區(qū)，5～25m 為重大影響區(qū)，25～50m 為一般影響區(qū)。

⑷對(duì)于深厚淤泥及砂土組合地層中地鐵隧道周邊的樁基工程，隧道的保護(hù)范圍建議取20m，其中3m 以內(nèi)為禁止樁基施工區(qū)，3～10m 為重大影響區(qū)，10～20m 為一般影響區(qū)?！?/p>