王亞南，鄧國華，于文龍

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510010；2.西安黃土地下工程技術咨詢有限公司， 陜西 西安 710048)

近年來，地鐵工程發(fā)展迅速，隨之而來的是地鐵沿線大面積的開發(fā)建設和市政配套，這就必然會對地鐵結構狀態(tài)造成影響。國內(nèi)外有大量的專家和學者對地鐵周邊新建建(構)筑物對地鐵結構的影響進行了大量的分析，尤其是明挖基坑變形規(guī)律及對地鐵結構的影響分析[1-8]，各大城市相繼出臺了地鐵保護條例，國家也發(fā)布了安全保護技術規(guī)范[9-11]，目的就在于消除地鐵沿線建設對地鐵自身的影響。據(jù)報道，某城市地鐵區(qū)間隧道受近距離基坑開挖的影響，出現(xiàn)了較大側(cè)向變形，危及結構安全，造成了嚴重的后果，采取了搶險措施；某城市地鐵結構頂板直接被打穿，危及運營和乘客安全，引起了很大轟動。究其原因，主要是對工程建設對地鐵結構的影響把握不清。為此，需嚴格按照本地區(qū)城市軌道交通工程管理條例及相關規(guī)范對沿線工程項目建設對地鐵的影響進行評估分析。

本文結合具體的工程實例，通過工程類比、現(xiàn)場試驗、理論計算及數(shù)值模擬[12-13]等幾種分析方法研究上覆土層開挖對地鐵隧道所造成的影響和分析，同時通過計算分析提出土層開挖減小對地鐵結構影響的措施。

1 工程概況

西安地鐵四號線大明宮北—余家寨區(qū)間起于北二環(huán)大明宮立交南側(cè)，終于余家寨村，隧道位于太華路下方，區(qū)間場地略有起伏，線路從北二環(huán)大明宮立交南側(cè)出站后，沿太華北路敷設，依次穿越大明宮立交下已拆遷人行天橋樁基、北二環(huán)大明宮立交橋、大明宮立交北側(cè)人行過街天橋到達大明宮站，施工方法為盾構法。該區(qū)間隧道底板標高介于373.376 m～379.486 m之間，隧道埋深約10.00 m～16.24 m，線路最大縱坡為28‰，最小曲線半徑R=700 m。區(qū)間隧道內(nèi)徑為Φ5 400 mm，管片厚度為300 mm，隧道外徑為Φ6 000 mm。管片：C50,P10防水鋼筋混凝土，管片環(huán)向分6塊，F(xiàn)塊為縱向插入式。管片之間采用彎螺栓連接，環(huán)向每個接縫有2個螺栓，共12個；縱向共設10個螺栓(除了封頂塊，其它塊各2個)。管片環(huán)寬為1.5 m，左右轉(zhuǎn)彎環(huán)采用單面楔形，楔形量為38 mm；管片采用錯縫拼裝。為滿足防水構造要求，在管片的環(huán)縫、縱縫面設有一道彈性密封墊槽及嵌縫槽；由于管片拼裝需要，每塊管片中央均設有吊裝孔，吊裝孔兼二次補強注漿的注漿孔(見圖1)。

(a) 剖面圖 (b) 整體圖

圖1盾構管片圖

下穿太華路南、北通道，位于地鐵四號線大明宮北—余家寨區(qū)間正上方。通道均寬11.2 m，高4.8 m,長46 m，分段長度為11.48 m、23.00 m、11.48 m，共分3段，分段之間設2 cm沉降縫。區(qū)間隧道從中間23 m段通過，南側(cè)通道結構底板距離區(qū)間隧道頂最近為4.98 m。北側(cè)通道結構底板距離區(qū)間隧道頂最近為9.69 m。南側(cè)通道距離大明宮北站37.9 m。下穿立交橋匝道和輔道通道距離區(qū)間隧道大于60 m。本文選取南側(cè)通道進行研究分析(見圖2)。

圖2下穿通道與地鐵結構平面位置圖

2 工程及水文地質(zhì)概況

大明宮北—余家寨區(qū)間，起于北二環(huán)與太華路十字以南，終于余家寨村，隧道位于太華路下方，穿過北二環(huán)后，隧道向東偏移。區(qū)間場地地形略有起伏，地面高程介于393.38 m～396.89 m。本區(qū)間地貌單元屬渭河二級階地。

大明宮北—余家寨區(qū)間場地無地表水系，但區(qū)間西南側(cè)約0.5 km有太液池，太液池總面積約為14.1萬m2，池底采用防滲結構，太液池于2010年7月5日注水，水面高程398.80 m，水深約1.50 m。太液池以人工注水補給為主，排泄方式主要為大氣蒸發(fā)。場地內(nèi)地下潛水穩(wěn)定水位埋深18.80 m～20.50 m之間。本區(qū)間南端大明宮北車站抗?jié)B水位為389 m。地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)；其下為上更新統(tǒng)風積(Q3eol)新黃土及殘積(Q3el)古土壤；再下為上更新統(tǒng)沖積(Q3al)粉質(zhì)黏土、中砂等。具體各土層力學指標見表1。

表1 各土層力學指標表

3 分析結果研究

3.1 工程類比法

(1) 實測案例1。西安南門外綜合改造工程中的市政隧道從已運營的地鐵2號線鐘樓—永寧門區(qū)間隧道上部通過，市政隧道基坑開挖深度超過8 m，兩者之間凈距僅為2.0 m。市政隧道基坑開挖引起地鐵區(qū)間隧道向上的位移：左線隧道拱頂和拱底隆起值分別為5.6 mm和5.3 mm，右線隧道拱頂和拱底的最大隆起值分別為5.2 mm和4.7 mm；基底最大隆起值為15.3 mm。

(3) 實測案例3。廣州天河東路—天河路隧道經(jīng)過天河路與天河東路的交叉位置，位于地鐵3 號線左、右線(上、下行線)的上方，呈垂直走向，三號線處于運營階段。隧道通道凈高為5.0 m，距天河路隧道底標高2.76 m左右，基坑開挖深度為7.3 m。監(jiān)測結果表明，左線隧道豎向變形最大上浮位移為3.2 mm，最大沉降為-1.5 mm，右線隧道表現(xiàn)為整體上浮，隧道結構最大上浮位移為2.9 mm；基底最大隆起值為9.89 mm。

(4) 計算案例4。項目位于成都市市中心繁華地帶，地鐵2號線從場地辦公樓和商業(yè)內(nèi)局部地段通過，地下室為2層，局部3層。地下2層位于運營地鐵之上。地層為砂土，地鐵最大上浮2.6 mm。

根據(jù)以上工程的類比，結合太華路—北二環(huán)立交工程地層特性、基坑深度和平面尺寸，預測下穿太華路南側(cè)地下通道引起隧道上浮變形約為4 mm～6 mm；基底最大隆起值為12.54 mm。

3.2 現(xiàn)場試驗法

為能夠準確評價基坑回彈變形，本次在現(xiàn)場開展三組K30載荷試驗(見圖3)。

圖3現(xiàn)場測試圖(利用現(xiàn)場挖掘機提供反力)

根據(jù)西安地區(qū)經(jīng)驗，考慮到載荷板尺寸、實驗條件與實際基坑的差距，實際回彈量約為載荷板試驗測得的5倍～8倍，根據(jù)本次測試計算結果，約為6.35 mm～10.16 mm。

3.3 理論計算法

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》[14](GB 50007—2011)，地基回彈變形量可按下式計算：

(1)

式中：Sc為地基回彈變形量，mm；ψc為回彈量計算經(jīng)驗系數(shù)，無地區(qū)經(jīng)驗時可取1.0；Pc為基坑底面以上土的自重壓力(kPa)地下水位以下應扣除浮力；Eci為土的回彈模量。

經(jīng)驗算，基坑底卸荷回彈量：Sc=18.137 mm

值得注意的是地基基礎規(guī)范中的推薦回彈變形計算方法，主要適用于深基坑，計算方法也是深基坑經(jīng)驗的總結，淺基坑計算時可能存在較大的誤差。

3.4 數(shù)值模擬法

采用ANSYS有限元分析軟件，建立整體三維模型分析計算整個開挖過程對地鐵隧道的影響，有限元計算模型見圖4。

選取分析工況如下：

工況1：一次性放坡開挖→一次性澆筑橫通道→一次性回填基坑

工況2：分2層放坡開挖→邊開挖邊澆筑橫通道→一次性回填基坑

(1) 工況1計算結果。工況1計算結果見圖5。

圖4有限元模型網(wǎng)格圖

(a) 基坑底部隆起圖 (b) 拉應力云圖

圖5工況1橫通道施工期間盾構管片隆起及拉應力變形云圖

根據(jù)上述計算結果可知，工況1基坑最大隆起為10.1 mm，盾構管片的最大隆起值為3.3 mm，曲率半徑為ρ=65 000 m>15 000 m，故區(qū)間隧道的曲率滿足安全要求，但從隧道結構受力角度來看，隆起最大部位附近的管片拉應力約為2.3 MPa，低于C50素混凝土的軸心抗拉強度3.1 MPa[15]，滿足抗裂要求，盾構管片的最大隆起值為5.2 mm。

(2) 工況2計算結果。工況2計算結果見圖6。

(a) 基坑底部隆起圖 (b) 拉應力云圖

圖6工況2橫通道施工期間盾構管片隆起變形及拉應力云圖

根據(jù)計算結果可知，工況2邊放坡開挖、邊澆筑橫通道襯砌的施作方法時，基坑最大隆起為7.2 mm，管片的最大隆起值為2.5 mm，曲率半徑為ρ=90 000 m>15 000 m，故區(qū)間隧道的曲率滿足安全要求，且盾構管片的最大拉應力為1.8 MPa，未超過C50混凝土的設計抗拉強度值3.1 MPa，表明采取工況2進行橫通道施工時，盾構管片受拉和變形均滿足設計要求。

3.5 盾構管片受力計算

采用ANSYS有限元軟件，建立結構-荷載模型，對盾構管片內(nèi)力變化進行分析，并對照既有結構設計情況評估其安全性。盾構管片的受力及配筋計算，采用結構荷載法計算原理進行計算，根據(jù)盾構管片所處地層的厚度及盾構管片上方基坑開挖期間存在的兩次應力場變化、施工荷載的變化，來進行襯砌內(nèi)力的計算、配筋和裂縫寬度驗算，考慮計算工況如下：

(1) 工況1：原地層條件下盾構管片內(nèi)力及變形分析。

(2) 工況2：橫通道開挖卸載條件下盾構管片內(nèi)力分析。

(3) 工況3：橫通道襯砌施工條件下盾構管片內(nèi)力分析。

根據(jù)荷載計算簡圖施加荷載，計算完成后得到的內(nèi)力包絡結果如圖7—圖9所示。

圖7 軸力圖(單位：kN)

圖8 彎矩圖(單位：kN·m)

圖9法向位移圖(單位：mm)

從上述工況的分析結果可知，原始地層下的工況1盾構管片受到的荷載最大，基坑開挖后盾構管片受力相對減小，橫通道襯砌施作后，盾構管片受力又有所增大，受到局部偏壓影響，隧道襯砌管片的軸力和彎矩均有一定程度的增大，但總體而言，基坑開挖工況2和橫通道襯砌施工工況3相對于原工況1而言，襯砌受力均比原工況小，因而原工況下襯砌的配筋及裂縫寬度滿足要求時，工況2和工況3自動滿足要求。

3.6 抗浮計算

開挖卸荷、通道施作，減小了隧道結構上覆荷載，對施工期間、通道完成后進行地鐵隧道抗浮進行驗算：Gk/Nw,k≥Kw。

抗浮水位：根據(jù)地鐵勘察報告：本區(qū)間南端大明宮北車站抗浮水位為389 m，北端余家寨抗浮水位為386 m，區(qū)間各段抗浮可根據(jù)里程內(nèi)插取值。分別計算得到下穿太華路南側(cè)區(qū)間隧道的抗浮水位為391 m。

經(jīng)計算抗浮安全系數(shù)為1.396≥1.050，滿足抗浮要求。

4 結 論

本文結合工程實例分析研究了上覆土層開挖對地鐵區(qū)間隧道的影響和分析，得到的主要結論如下：

(1) 地鐵隧道上覆土層因開挖基坑而卸荷后，基底土層將卸荷回彈，從而引起盾構隧道產(chǎn)生上浮變形，土層的開挖方式對變形的影響起著至關重要的作用，應采用分層對稱開挖法進行上覆土層的卸載，盡量減小開挖對區(qū)間隧道的影響。

(2) 地下工程普遍存在抗浮問題，土層開挖后隧道的抗浮問題需重點關注并進行抗浮計算分析，對于抗浮水位較高覆土較淺，抗浮不能滿足要求的應采取必要的工程措施進行處理。

(3) 本文計算和分析土層回彈變形所得到的結果存在出入，主要是由于巖土工程的特殊性所決定的，但是從大的變形趨勢來說幾種分析方法所得到的結果可以達到相互驗證的目的，對于所得出的結果應該是可信的。

(4) 隨著越來越多類似工程的開展，將會有更多的實測資料進行對比分析，后續(xù)工作可以根據(jù)實測資料進行統(tǒng)計分析，以便為以后類似工程提供參考依據(jù)。