(1.中鐵五局集團 建筑工程有限責任公司，貴州 貴陽 550081； 2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.中南林業(yè)科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410004)

1 概述

近年來，我國隧道及地下工程穿越不良地質(zhì)帶、高風險段落、環(huán)境敏感區(qū)域的案例越來越多[1-3]，施工風險不斷增大。當前，對于復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境條件下不同類別的地下工程與既有基坑工程、地鐵隧道及高鐵隧道工程相互影響的研究，國內(nèi)已有不少相關(guān)論述和報道。國內(nèi)方面，孫長軍[4]以北京地鐵為例，定量描述了地鐵工程與周邊環(huán)境的接近程度或相互影響程度的接近度和影響分區(qū)兩個概念，給出了不同工法的接近度及工程影響程度劃分標準，并據(jù)此綜合考慮工程自身風險和環(huán)境風險提出工程綜合風險等級分級方法。劉遠亮[5]運用Midas GTS三維數(shù)值模擬計算軟件分析基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。劉毅[6]結(jié)合苞谷壟隧道工程建設(shè)實例，研究了跨線橋樁基施工對既有高鐵隧道的影響。張宇[7]研究了高速動車作用下不同圍巖條件下典型高鐵隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。章紅兵等[8]通過對鄰近隧道基坑群分布類型的分類歸納，系統(tǒng)研究了不同分布類型基坑群施工對鄰近隧道的影響。胡瑞青等[9]基于有限元法分析研究了成都砂卵石地層基坑開挖對側(cè)方既有地鐵交叉隧道和車站的影響。國外學者近年來對于隧道近接施工等問題也開展了一定的研究。例如，MROUEH等[10]采用三維有限元方法對隧道與既有地表建筑物進行了數(shù)值模擬。JENCK等[11]運用三維有限差分軟件FLAC 3D對盾構(gòu)施工和建筑物進行了數(shù)值模擬，在考慮地層損失的情況下研究了建筑物剛度對地表位移的影響。

雖然上述針對鄰近隧道之間、樁基與隧道之間以及既有建筑、基坑、地鐵車站或地鐵隧道與隧道間的相互影響等方面的研究，均取得了一定的成果或有意義的結(jié)論。但是，當前我國在地鐵、鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中采用的大量不以生態(tài)環(huán)保、節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展等綠色建造[12-14]理念為出發(fā)點的常規(guī)工程措施[15-16]，如高填、深挖、污染、揚塵、亂排亂放和其他不考慮成本、節(jié)能降耗、生態(tài)和綠色環(huán)保理念的日顯粗獷的常規(guī)工程施工手段，既破壞了原有地層結(jié)構(gòu)和生態(tài)循環(huán)，更不利于生態(tài)環(huán)保、工程建設(shè)和周邊建筑物的安全和長期穩(wěn)定[17-18]。而采用現(xiàn)代綠色建造關(guān)鍵技術(shù)(如生態(tài)技術(shù)、生物技術(shù)、節(jié)能降耗、降塵減排和循環(huán)利用等技術(shù)和方法)，則可有效解決上述施工安全和長期可持續(xù)穩(wěn)定等問題，從而達到工程安全建造與生態(tài)環(huán)保的雙重功效。

深圳地鐵6號線民樂停車場工程，由于上跨多個既有運營高鐵隧道結(jié)構(gòu)且在填土區(qū)建造，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境敏感、地質(zhì)復(fù)雜、施工難度大、工期緊張及施工風險高的特點。該地鐵停車場集合了不規(guī)則人工填土、上跨高鐵隧道群、近接深大樁基施工等敏感地質(zhì)和環(huán)境條件特點，其所涉及的高鐵隧道安全運營監(jiān)測、保護和近接工程設(shè)計與施工工藝所需考慮的影響因素及其復(fù)雜程度，在國內(nèi)外地鐵、隧道及地下工程的建設(shè)中均屬罕見。對該工程而言，綠色建造技術(shù)、微擾動方案設(shè)計和施工工藝的應(yīng)用和研究，有著極大的研究意義和工程實際應(yīng)用價值。因而，在該地鐵停車場橋梁基礎(chǔ)施工中，開展樁基(尤其是大直徑2.0、2.2 m樁基)施工對下方高鐵填土隧道群的擾動效應(yīng)的研究，是確保樁基施工和既有下伏高鐵隧道群及列車運營安全的必要手段，是必須深入研究和解決的一個重大問題。

2 工程背景

深圳地鐵6號線民樂停車場位于深圳市龍華新區(qū)梅觀立交西北側(cè)。該工程所處場地原始地貌為丘陵，場地位于龍華區(qū)梅觀立交西北側(cè)，新區(qū)大道與地鐵4號線(龍華線)以西，翠嶺華庭以南。工程所在場地地形總體起伏較大，場地范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工填堆積層(Q4ml)、下伏燕山期花崗巖(γ53)，地層從上至下為素填土、填碎石、中風化花崗巖、微風化花崗巖。此外，場地內(nèi)人工填土范圍較廣，基本涵蓋整個場區(qū)，其成分多樣，主要為粘性土、砂礫、碎石、塊石等，土質(zhì)不均，局部混有少量的建筑垃圾。

民樂停車場運用庫1區(qū)上跨既有運營高鐵隧道。該停車場工程場地下方穿越3條鐵路隧道(圖1)。其中，廣深港客運專線隧道處于花崗巖層中，現(xiàn)狀埋深約32 m；杭(廈)深鐵路正線隧道及其聯(lián)絡(luò)線隧道，埋深約10～12 m，修建方式為明挖后回填，處于素填土與碎石土層。3座隧道彼此不平行，存在相對角度。

(a) 場地地質(zhì)及隧道間相互關(guān)系立面示意圖

(b) 各隧道相互關(guān)系平面示意圖

Figure 1 Map of the relationship between new metro parking yard and existing high-speed railway tunnels

本工程中，上部鋼桁梁橋的多根基樁深入到隧道兩側(cè)，其中部分樁基貫穿隧道基礎(chǔ)，距離隧道結(jié)構(gòu)極近。圖1中，廈深鐵路與聯(lián)絡(luò)線之間樁基距隧道輪廓線距離最近僅為3.04 m，廣深港鐵路隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道之間為4.78～5.84 m，距廣深港鐵路西側(cè)最小距離為8.64 m。

為達到同時確保樁基施工安全、既有下伏高鐵隧道群的安全與穩(wěn)定以及列車運營安全這三重目標，必須在施工階段對其進行詳細的計算分析和現(xiàn)場監(jiān)控，提出相應(yīng)的安全控制措施，并根據(jù)實際狀況來不斷調(diào)控和優(yōu)化施工順序和施工方法，以最大限度地減小樁基施工對運營高鐵隧道的影響。

3 數(shù)值模擬方法

3.1 三維計算模型的建立

本工程的施工方案中部分樁體與隧道較近，通過MIDAS GTS NX 有限元軟件建立深圳地鐵6號線民樂停車場群樁-隧道-地層整體三維數(shù)值計算模型。模型左右側(cè)取3倍隧道寬度計算范圍，在高度方向考慮3倍隧道洞高和樁長的影響，所建立的模型范圍：長×寬×高=450 m×320 m×132.5 m；劃分好網(wǎng)格的模型，節(jié)點總數(shù)125 694個，單元總數(shù)666 012個。建立的數(shù)值分析模型，如圖2所示。

圖2 停車場群樁-隧道-地層整體三維數(shù)值模型Figure 2 3D pile-tunnel-stratum numerical model of the metro parking yard

3.2 計算參數(shù)的選取

數(shù)值計算中所取的物理力學參數(shù)，見表1。

表1 主要計算參數(shù)Table 1 Main calculation parameters土層彈性模量/GPa泊松比容重/(kN·m-3)粘聚力/kPa素填土1.10.3219 3.5超填土1.30.35192碎石層1.50.322120微風化花崗巖34.50.23241 750

3.3 初始條件和邊界條件

計算模型的邊界條件：約束前、后、左、右側(cè)邊界，施加水平方向的單向約束，底面施加豎向法向約束，模型上表面為自由面。計算中，將各土(巖)層看作理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準則。此外，假定隧道結(jié)構(gòu)及附近圍巖在外荷載作用下仍處于彈性變形階段，均為各向同性彈性模型。

3.4 鐵路移動荷載的選取與施加

列車在線路上通過時，車輪對軌下道床和路基的影響，可以視為一個不斷加載和卸載的循環(huán)作用過程。在模擬列車動荷載作用時，通常采用以下2種簡化方式[9～10]：①作用于定點的變化荷載，即將輪軌力看作簡諧荷載或其它脈沖荷載作用在軌道上的某一固定位置上；②移動荷載，即認為列車輪軌荷載是在空間和時間連續(xù)變化的。本文計算中采用移動的列車荷載作為外部激勵方式，根據(jù)列車軸重和行車速度，由下面經(jīng)驗公式(1)計算不同速度下的列車動荷載幅值，從而實現(xiàn)動力效應(yīng)的模擬和計算。

Pd=Ps(1+αv)

(1)

式中:Pd為動輪載，kN；Ps為靜輪載，kN；α為動力沖擊系數(shù)；v為列車行駛速度，km/h。

計算模型中，兩列列車通過時的移動荷載施加情況，如圖3所示。

圖3 兩列列車動荷載施加及隧道周邊樁基位置示意圖Figure 3 Dynamic load application of two trains and location of pile foundations around the tunnels

4 計算結(jié)果及分析

本次模擬分析主要探討不同橋梁樁基(尤其是8根2.0、2.2 m大直徑樁基)的開挖成孔順序、形態(tài)、大小及與下方營運高鐵隧道相互位置關(guān)系條件下，不同工況橋基成孔施工對隧道結(jié)構(gòu)受力、變形及其穩(wěn)定性的影響，分析不同高鐵列車通過時橋基成孔的動力響應(yīng)和擾動效應(yīng)，并提出相應(yīng)不利情況下的應(yīng)對措施。為便于分析，對不同工況做以下分類。不同工況下的樁基開挖及列車擾動效應(yīng)的計算情況，見表2。

表2 樁基開挖及列車擾動效應(yīng)計算工況Table 2 Calculation conditions of pile foundation excava-tion and train disturbance effect工況號開挖樁號施工荷載列車開行情況1B-2,1-1,B-2,1-2樁基平臺履帶吊車兩列300 km/h雙向?qū)﹂_2B3-1,B3-2同工況1同工況13B-4,B-6同工況1無4B-3,B-4無同工況15B-3,B-5無同工況16B-4,B-6無同工況17B-4,B-6同工況1同工況18B-3,B-5同工況1同工況19B-3,B-5同工況1一列300 km/h注:表中樁號對應(yīng)其承臺編號;樁基平臺和履帶吊車分別重750和3 500 kN。

樁基開挖是一個動態(tài)變化的過程，數(shù)值模擬過程中，通過改變單元材料類型和參數(shù)模擬將隧道開挖簡化成非連續(xù)推進過程。隧道開挖一定距離后，首先對巖土體賦予Null model模型，即表示該土體被移除或開挖，再逐步向前推進直至開挖完成。

4.1 施工過程中高鐵通行對隧道變形的影響

理論上，高速鐵路運行均會對整個開挖段產(chǎn)生一定的影響。但由于動力計算需消耗大量時間和資源，監(jiān)測整段隧道變形是不現(xiàn)實也是不必要的。為明確振動荷載對隧道的影響，考察列車振動荷載開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)的位移特征，在樁基開挖處取隧道橫斷面為研究斷面，并在隧道斷面關(guān)鍵部位設(shè)置監(jiān)測點。數(shù)值計算中，以杭深聯(lián)絡(luò)線隧道拱腰處為1號監(jiān)測點，拱頂為4號監(jiān)測點；杭深梅林隧道拱頂為5號監(jiān)測點，拱腰為2號監(jiān)測點，拱底為3號監(jiān)測點。各監(jiān)測點的豎向位移情況，如圖4所示。

(a) 工況5、6、7、8對比

(b) 工況5、8、9對比

Figure 4 Vertical displacement of each measuring point of tunnel under the influence of dynamic train load

由圖4可知，1列300 km/h的高鐵列車通過杭深梅林隧道時，1、2、3、4和5號監(jiān)測點分別產(chǎn)生了0.077、0.081、0.082、0.084、0.087 mm的豎向位移。變化趨于平緩，在5號監(jiān)測點達到最大值。相比8、9工況反映了高速列車的數(shù)量對隧道的豎向變形的影響。在考慮樁基平臺及施工荷載的情況下，只有一輛列車通行時5個監(jiān)測點的豎向位移分別達到0.492 5、0.504 9、0.511 3、0.524 9和0.533 4 mm。當兩輛列車同時雙向?qū)﹂_經(jīng)過隧道時，引起隧道的豎向位移最大。此時，5個監(jiān)測點的豎向位移分別達到0.573 1、0.586 2、0.594 1、0.608 3、0.620 1 mm。與單列車通行相比5處監(jiān)測點位移變化相差不大，基本穩(wěn)定在0.08 mm，峰值增大了0.086 7 mm。

4.2 樁基成孔順序?qū)λ淼赖挠绊?/h3>

隧道周邊的巖土體開挖往往伴隨著一定的卸荷效應(yīng)，會進一步影響到隧道結(jié)構(gòu)本身變形和洞周其他圍巖的位移和應(yīng)力分布情況。為了明確直徑較大的樁基在開挖過程中對鄰近隧道結(jié)構(gòu)的擾動效應(yīng)。在本次數(shù)值模擬中，選擇了離隧道結(jié)構(gòu)最近的8根2 m和2.2 m直徑的樁基，分析不同的施工順序?qū)扔懈哞F隧道的影響。其中，1、2、3號工況施工順序下，隧道造成的橫向最大位移分別為1.976 63e-003、1.975 15e-003、1.975 32e-003 mm，豎向沉降最大為2.486 47e-003、2.486 19e-003、2.485 93e-003 mm。以工況1為例，B-2,1-1和B-2,1-2樁基開挖時，隧道及其片石基礎(chǔ)的豎向、橫向變形和位移計算結(jié)果，見圖5。

(a) 豎向

(b) 橫向

Figure 5 Deformations and displacements of tunnels and rubble concrete foundations (condition 1)

由圖5分析結(jié)果可見，因2座隧道中間樁體的存在，樁基開挖均會使兩側(cè)隧道產(chǎn)生向外側(cè)的變形。在土壓力上，一側(cè)樁基的開挖會引起該側(cè)土體卸荷。而另一側(cè)土體則會朝開挖側(cè)擠壓隧道結(jié)構(gòu)，兩側(cè)導(dǎo)致產(chǎn)生了數(shù)值大小和方向均不同的水平位移。

不同工況樁基施工順序下，隧道各測點的豎向位移，如圖6所示。

由圖5、圖6中的結(jié)果對比分析可知，隧道結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點處受樁基開挖影響均較小。

(a) 工況1、2對比

(b) 工況4、5、6對比

Figure 6 Vertical displacement of each measuring point of tunnel under different pile foundation construction conditions

不同工況下樁基成孔引起的隧道位移最大值，如表3所示。

由表3可知，不同樁基開挖順序下，樁基兩側(cè)隧道X方向位移數(shù)值均較小，大小在0.361 ～ 0.363 mm之間。可見，隧道兩側(cè)樁基施工對其縱向位移影響很小，以下暫不予深入討論分析。

此外，表3中數(shù)值顯示：Y方向位移(水平位移)最大值在1.946 ～1.977 mm之間，Z方向位移(沉降)最大值在2.478 ～2.486 mm之間?？梢?，由樁基成孔施工引起的隧道結(jié)構(gòu)橫向和豎向位移數(shù)值均較小，在施工安全允許范圍內(nèi)。但是，這其中隧道豎向位移(Z方向位移，拱頂下沉)相對較大，出現(xiàn)位置均在靠近廣深港鐵路隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道樁基開孔處或其兩隧道交叉處，且其在各工況下的數(shù)值均接近2.5 mm的高鐵隧道安全運營預(yù)警值，需要引起格外注意?？梢姡瑯痘煽资┕λ淼雷冃渭拔灰凭幸欢ㄓ绊?，且隧道局部豎向位移相對較大，需引起一定注意。

可見，綜合圖5、圖6中的計算結(jié)果，結(jié)合不同工況下樁基成孔時隧道結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果(表3)，可以認為樁基的施工順序?qū)ο虏扛哞F隧道的擾動效應(yīng)較小，整體在施工安全范圍內(nèi)。

表3 不同工況下樁基成孔引起的隧道位移最大值Table 3 Maximum values of tunnel displacement caused by forming of pile foundation under different conditions樁號開挖順序(從上到下1,2,3)編號樁基兩側(cè)X方向/m樁基兩側(cè)Y方向/m樁基兩側(cè)Z方向/mB-4, B63.607 68E-0041.961 47E-0032.477 81E-003B3, B53.626 80E-0041.946 47E-0032.486 48E-003B-2 1-2, B133.627 34E-0041.976 63E-0032.486 48E-003B-2 1-1, B143.627 47E-0041.976 63E-0032.486 47E-003B-14,B-2 1-13.606 76E-0041.960 93E-0032.477 53E-003B-13,B-2 1-23.624 08E-0041.975 02E-0032.486 15E-003B-3, B-53.624 57E-0041.975 14E-0032.486 19E-003B-4 ,B-63.624 74E-0041.975 15E-0032.486 19E-003B-2 1-1,B-43.613 06E-0041.968 24E-0032.480 25E-003B-2 1-2,B-53.624 80E-0041.974 47E-0032.485 65E-003B14,B-63.626 09E-0041.975 34E-0032.485 94E-003B13,B-33.626 28E-0041.975 32E-0032.485 93E-003

4.3 大型施工機械荷載對隧道的影響

在實際工程中，當結(jié)構(gòu)淺埋時，應(yīng)嚴格限制上覆施工器械、車輛等各種施工荷載的數(shù)值，防止上方荷載過大導(dǎo)致隧道及地下結(jié)構(gòu)的過大變形或沉降。在此，分析了多個工況下樁基施工過程中，平臺及大型施工機械荷載對隧道結(jié)構(gòu)的影響，見圖7。

圖7 大型施工機械引起的隧道豎向位移Figure 7 Vertical displacements of tunnel caused by large construction machinery

由圖7中工況3、工況6的結(jié)果可知，樁基開挖過程中施工荷載樁基平臺重量和履帶吊車荷載對隧道擾動最為明顯。此外，施工荷載引起的各監(jiān)測點均產(chǎn)生一定的沉降，工況3為0.14～0.15 mm，工況6為0.6～0.61 mm。其中，5號監(jiān)測點豎向位移最大，達到了0.61 mm。

可見，由施工荷載(主要是吊裝設(shè)備)所引起的隧道豎向位移數(shù)值均不大，在施工安全范圍內(nèi)，不會對上伏地鐵停車場樁基施工、橋梁架設(shè)及隧道內(nèi)列車的安全運營產(chǎn)生顯著影響。

5 結(jié)論

為研究深圳地鐵6號線民樂地鐵停車場橋梁樁基側(cè)穿施工對下部填土高鐵隧道群的擾動效應(yīng)，利用三維數(shù)值模擬軟件建模并進行了不同工況的分析計算，主要得到以下結(jié)論：

a.在當前施工組織和實施方案情況下，民樂停車場大直徑樁基的開挖會引起其下方運營高鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的豎向和水平方向位移，其最大值均在2.5 mm以內(nèi)，整體處于施工安全范圍內(nèi)。但是，在靠近廣深港鐵路隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道樁基開孔處或其兩隧道交叉處，隧道豎向位移(拱頂下沉)在各工況下的數(shù)值均接近2.5 mm的高鐵隧道安全運營預(yù)警值，需要引起格外注意。

b.考慮樁基施工位置、施工荷載、列車運營情況等3個因素的影響時，隧道及圍巖在各種組合情況下的豎向和水平方向的位移數(shù)值均較小(小于2.5 mm)，滿足設(shè)計和規(guī)范要求，在安全范圍內(nèi)，不影響高鐵隧道運營安全和上部地鐵停車場的正常施工。其中，施工荷載的影響遠大于其他兩項，占三個變形的主要部分。此外，樁基施工的順序?qū)λ淼雷冃斡绊戄^小，大多數(shù)情況下可以忽略不計；高速列車的通行數(shù)量對隧道沉降有一定的影響，兩列列車通過時隧道豎向變形相較單列列車通過時大。

綜上可見，民樂停車場上部橋梁大直徑樁基的開挖成孔不會造成緊鄰地鐵停車場的下方各運營高鐵隧道的變形和受力狀態(tài)的明顯改變，整體處于在施工安全范圍內(nèi)，表明樁基施工不會危及高鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和列車的行車安全。上述結(jié)論對該工程建設(shè)及高鐵隧道安全運營具有一定的指導(dǎo)意義，也可供類似地質(zhì)條件下相互毗鄰、復(fù)雜交接工程的設(shè)計與施工參考。

另外，需要額外說明的是：雖然本次數(shù)值計算各工況中所得隧道結(jié)構(gòu)各種變形值均較小，但存在局部豎向位移較大的情況，而若在局部土質(zhì)松軟、空洞或同時開挖大量樁基、振動和擾動較大等情況下，不排除實際施工過程中出現(xiàn)與本次模擬結(jié)果有較大偏差的現(xiàn)象或情況。因此，為安全起見，建議在天窗時間段撤出大型施工機械或?qū)⑵湟浦料路竭\營高鐵隧道群的安全影響范圍之外。