黃承澤

（廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司 廣州510010）

0 引言

各種市政工程的施工，會對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，從而影響鄰近地鐵隧道的受力狀態(tài)［1］。雖然說鄰近地鐵盾構(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，受周圍土體影響較為敏感［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產(chǎn)安全。

為提前判定河道改線工程施工對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挖、格賓石籠擋墻施工和舊河道回填等工況下對鄰近既有地鐵隧道的影響，在受復雜外力的情況下獲取其準確的力學信息，同時反映出上述工況對地鐵隧道的真實影響，以評估河道開挖方案的科學性。

1 工程概況

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

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

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

根據(jù)工程勘察報告，項目場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，強度低；〈5H-2〉砂質(zhì)粘性土層；〈6H〉弱風化花崗巖，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〉強風化花崗巖。

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〉弱風化花崗巖，基底位于〈5H-2〉砂質(zhì)黏性土和〈7H〉強風化花崗巖。

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行包括河道開挖、廢棄河道回填和堤岸建設等，河道開挖的土方卸載過程和河道回填與堤岸建設的土方加載過程已經(jīng)成為影響地鐵隧道安全的主要因素。當開挖新河道時，河道土方的開挖將產(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過程時，地基受回填土的逐級加載，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。

為提前定量預判河道改線工程對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，模擬河道開挖、舊河道填筑及堤岸建設施工工況對地鐵結(jié)構(gòu)的不利影響，重點分析工程施工期間對地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的影響情況［4-6］。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，土體的本構(gòu)模型（見圖2）采用修正摩爾庫倫模型，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)實際的施工情況，可把施工過程動態(tài)工況模擬如下：［工況1］初始應力狀態(tài)，［工況2］2 條地鐵隧道的開挖，［工況3］新河道的逐層開挖，［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。

2.2 有限元計算結(jié)果及分析

本模型分析了河道整治施工對隧道的水平位移、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挖、廢棄河道逐層回填、新河道河堤堤岸逐層建設時最大水平位移、豎向位移圖，其中水平位移以水平方向地鐵隧道變形遠離新河道方向為正，豎向位移以豎直方向地鐵隧道變形向上為正。

⑴新河道逐層開挖時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時地鐵隧道最大水平位移、豎向位移如圖5所示。

圖3 新河道開挖時地鐵隧道最大位移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 河堤堤岸建設時地鐵隧道最大位移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)計如表2所示。

由計算結(jié)果可知，當新河道開挖時，隧道豎向位移在新河道開挖階段緩慢增大，位移以隆起為主，此時新河道開挖處土體相當于一個卸載的過程，由于河道開挖處土體減少，土體結(jié)構(gòu)受力變化較大，周圍土體會產(chǎn)生擠壓效應，導致地鐵隧道周圍土體會有向河道開挖處移動的趨勢［7］，此時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階段隨施工的進行逐漸增加，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，達到-6.49 mm。

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

同時，隧道水平位移主要為新河道的逐層開挖，新河道河堤堤岸逐層建設，最大達2.78 mm，由于舊河道基本處于地鐵隧道的正上方，舊河道的回填類似于豎向的加載過程［8］，對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)隧道設計資料，結(jié)合擬建某工程整治工程設計、施工資料，模擬分析了河道開挖，廢棄河道填筑及堤岸建設施工對地鐵隧道結(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地鐵隧道的結(jié)構(gòu)形成一定影響，在嚴格按照設計要求進行施工的條件下，不危及地鐵的結(jié)構(gòu)安全，對影響地鐵的后期運營較?。?0］。根據(jù)分析和工程實踐，本文主要結(jié)論包括：

⑴此河道整治工程施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的主要不利影響為廢棄河道填筑和堤岸建設過程產(chǎn)生的填土荷載，其豎向最大位移分別達到-5.52 mm、-6.49 mm。同時該工程的開挖卸載和回填堆載過程對既有鄰近地鐵盾構(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，受擾動時強度變化較大，浸水易軟化崩解，對隧道結(jié)構(gòu)的保護較為不利。

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

⑷鑒于巖土層計算參數(shù)取值的合理對預測分析地鐵結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力狀態(tài)及評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)測結(jié)果和地下水位監(jiān)測結(jié)果，在必要時對地層計算參數(shù)進行反演分析，以便進一步預測分析地鐵結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力狀態(tài)和發(fā)展趨勢。