黃承澤

（廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州510010）

0 引言

各種市政工程的施工，會(huì)對(duì)鄰近既有地鐵隧道周邊土體結(jié)構(gòu)造成一定程度上的擾動(dòng)，從而影響鄰近地鐵隧道的受力狀態(tài)［1］。雖然說(shuō)鄰近地鐵盾構(gòu)隧道沉降已趨于穩(wěn)定，但是由于地鐵盾構(gòu)隧道是由鋼筋混凝土管片拼成的，整體剛度較低，受周?chē)馏w影響較為敏感［2］。地鐵作為城市人民群眾重要的出行方式，社會(huì)影響極大，如果地鐵隧道受力及變形狀態(tài)變化較大，則極有可能引起隧道的坍塌，甚至危及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

為提前判定河道改線工程施工對(duì)鄰近既有地鐵隧道的影響，使用有限元軟件建立三維整體模型［3］，模擬某工程新河道的開(kāi)挖、格賓石籠擋墻施工和舊河道回填等工況下對(duì)鄰近既有地鐵隧道的影響，在受復(fù)雜外力的情況下獲取其準(zhǔn)確的力學(xué)信息，同時(shí)反映出上述工況對(duì)地鐵隧道的真實(shí)影響，以評(píng)估河道開(kāi)挖方案的科學(xué)性。

1 工程概況

某工程建設(shè)的主要內(nèi)容是某干流共9.6 km 河道整治，干流全長(zhǎng)37.65 km，流域面積為101.26 km2，現(xiàn)狀河寬13～41 m。按建湖后100 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治，建設(shè)主要內(nèi)容包括河道清淤、堤岸加固（重建）、防汛路建設(shè)、新建滾水堰、穿堤涵管、穿堤箱涵，整治后河道長(zhǎng)度6.12 km。

新河道土方開(kāi)挖（新河道設(shè)計(jì)底高程與現(xiàn)狀舊河道底高程基本持平），格賓石籠擋墻砌筑（略深于設(shè)計(jì)河底高程1.12 m），新河道河堤填筑與邊坡修整，格賓護(hù)墊施工，邊坡覆土種植水生植物，水流改道，舊河道清淤（厚0.96 m 無(wú)拋石擠淤），舊河道回填，防汛路鋪筑等（見(jiàn)圖1）。

圖1 河道改線平面Fig.1 Plan of River Diversion

根據(jù)工程勘察報(bào)告，項(xiàng)目場(chǎng)地地層自上而下分別是：〈1〉人工填土層，填土組成變化大，多屬雜填土，由磚塊、瓦片、碎石、混凝土塊及粘性土等組成；〈3-2〉中粗砂層，主要為亞粘土、亞砂土夾中粗砂、粘土質(zhì)礫砂；〈4N-2〉粉質(zhì)粘土層，可塑，土樣完整，強(qiáng)度低；〈5H-2〉砂質(zhì)粘性土層；〈6H〉弱風(fēng)化花崗巖，淺灰色，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈柱狀，碎塊狀；〈7H〉強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

其中隧道洞身主要位于〈4N-2〉粉質(zhì)黏土、〈5H-1〉砂質(zhì)黏性土、〈5H-2〉砂質(zhì)黏性土和〈6H〉弱風(fēng)化花崗巖，基底位于〈5H-2〉砂質(zhì)黏性土和〈7H〉強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

2 模型建立與分析

2.1 模型建立

在既有鄰近地鐵隧道附近進(jìn)行包括河道開(kāi)挖、廢棄河道回填和堤岸建設(shè)等，河道開(kāi)挖的土方卸載過(guò)程和河道回填與堤岸建設(shè)的土方加載過(guò)程已經(jīng)成為影響地鐵隧道安全的主要因素。當(dāng)開(kāi)挖新河道時(shí)，河道土方的開(kāi)挖將產(chǎn)生地基土的卸載，易引起隧道向上隆起，產(chǎn)生豎向位移。相反的，在廢棄河道回填與堤岸建設(shè)過(guò)程時(shí)，地基受回填土的逐級(jí)加載，易引起地基及地鐵隧道的下沉，受填土區(qū)域分布范圍的影響，也易引發(fā)地鐵隧道的不均勻沉降。

為提前定量預(yù)判河道改線工程對(duì)既有地鐵隧道的影響，本文使用Midas GTS-NX 有限元軟件建立三維整體模型，模擬河道開(kāi)挖、舊河道填筑及堤岸建設(shè)施工工況對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的不利影響，重點(diǎn)分析工程施工期間對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的影響情況［4-6］。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，土體的本構(gòu)模型（見(jiàn)圖2）采用修正摩爾庫(kù)倫模型，各土層參數(shù)如表1所示。

圖2 整體模型Fig.2 Overall Model

表1 土體參數(shù)Tab.1 Soil Parameters

根據(jù)實(shí)際的施工情況，可把施工過(guò)程動(dòng)態(tài)工況模擬如下：［工況1］初始應(yīng)力狀態(tài)，［工況2］2 條地鐵隧道的開(kāi)挖，［工況3］新河道的逐層開(kāi)挖，［工況4］廢棄河道逐層回填，［工況5］新河道河堤堤岸逐層建設(shè)。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

本模型分析了河道整治施工對(duì)隧道的水平位移、豎向位移的影響，由于篇幅有限，此處列舉了新河道的逐層開(kāi)挖、廢棄河道逐層回填、新河道河堤堤岸逐層建設(shè)時(shí)最大水平位移、豎向位移圖，其中水平位移以水平方向地鐵隧道變形遠(yuǎn)離新河道方向?yàn)檎?，豎向位移以豎直方向地鐵隧道變形向上為正。

⑴新河道逐層開(kāi)挖時(shí)地鐵隧道最大水平位移、豎向位移如圖3所示；

⑵廢棄河道逐層回填時(shí)地鐵隧道最大水平位移、豎向位移如圖4所示；

⑶新河道河堤堤岸逐層建設(shè)時(shí)地鐵隧道最大水平位移、豎向位移如圖5所示。

圖3 新河道開(kāi)挖時(shí)地鐵隧道最大位移Fig.3 Maximum Displacement of Metro Tunnel during Excavation of the New River

圖4 廢棄河道回填時(shí)地鐵隧道最大位移Fig.4 Maximum Displacement of Metro Tunnel during Backfill of Abandoned River Channel

圖5 河堤堤岸建設(shè)時(shí)地鐵隧道最大位移Fig.5 Maximum Displacement of Metro Tunnel during Construction of River Embankment

不同施工工況下地鐵隧道最大位移統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)新河道開(kāi)挖時(shí)，隧道豎向位移在新河道開(kāi)挖階段緩慢增大，位移以隆起為主，此時(shí)新河道開(kāi)挖處土體相當(dāng)于一個(gè)卸載的過(guò)程，由于河道開(kāi)挖處土體減少，土體結(jié)構(gòu)受力變化較大，周?chē)馏w會(huì)產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致地鐵隧道周?chē)馏w會(huì)有向河道開(kāi)挖處移動(dòng)的趨勢(shì)［7］，此時(shí)使地鐵隧道位移表現(xiàn)為隆起，而在廢棄河道填筑和堤岸建設(shè)階段隨施工的進(jìn)行逐漸增加，由于上部荷載的增加，地鐵隧道位移表現(xiàn)為沉降，沉降最大處位于舊河道與地鐵隧道上部交匯處，達(dá)到-6.49 mm。

表2 不同施工工況下地鐵隧道最大位移統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Maximum Displacement of Subway Tunnel under Different Construction Conditions

同時(shí)，隧道水平位移主要為新河道的逐層開(kāi)挖，新河道河堤堤岸逐層建設(shè)，最大達(dá)2.78 mm，由于舊河道基本處于地鐵隧道的正上方，舊河道的回填類(lèi)似于豎向的加載過(guò)程［8］，對(duì)地鐵隧道橫向變化影響不大，主要為豎向的位移。

3 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料，結(jié)合擬建某工程整治工程設(shè)計(jì)、施工資料，模擬分析了河道開(kāi)挖，廢棄河道填筑及堤岸建設(shè)施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，得到了各工況下隧道結(jié)構(gòu)的變形情況［9］。綜合以上模擬分析結(jié)果判斷可得，該河道改造工程施工對(duì)地鐵隧道的結(jié)構(gòu)形成一定影響，在嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工的條件下，不危及地鐵的結(jié)構(gòu)安全，對(duì)影響地鐵的后期運(yùn)營(yíng)較?。?0］。根據(jù)分析和工程實(shí)踐，本文主要結(jié)論包括：

⑴此河道整治工程施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的主要不利影響為廢棄河道填筑和堤岸建設(shè)過(guò)程產(chǎn)生的填土荷載，其豎向最大位移分別達(dá)到-5.52 mm、-6.49 mm。同時(shí)該工程的開(kāi)挖卸載和回填堆載過(guò)程對(duì)既有鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)有一定影響，但其變形和位移量均在安全可控的范圍內(nèi)。因此，河道整治工程不會(huì)危及地鐵的結(jié)構(gòu)安全。

⑵受影響區(qū)域的地鐵結(jié)構(gòu)所在地層較為不利。隧道洞身含有大量砂層及花崗巖地層，受擾動(dòng)時(shí)強(qiáng)度變化較大，浸水易軟化崩解，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的保護(hù)較為不利。

⑶受影響區(qū)域的地鐵隧道埋深較淺。在進(jìn)行廢棄河道填筑時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移變化比較明顯，此時(shí)要嚴(yán)格控制舊河道的回填速率，臨近地鐵側(cè)土體密實(shí)度達(dá)到要求后再填筑下一層，新河道開(kāi)挖時(shí)應(yīng)注意臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定性，避免填筑或開(kāi)挖過(guò)程的邊坡失衡，以免對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。

⑷鑒于巖土層計(jì)算參數(shù)取值的合理對(duì)預(yù)測(cè)分析地鐵結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力狀態(tài)及評(píng)估地鐵安全較為重要，可以結(jié)合后續(xù)的地鐵結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果和地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果，在必要時(shí)對(duì)地層計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反演分析，以便進(jìn)一步預(yù)測(cè)分析地鐵結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)。