徐立強，麥毅康，李亞如

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市100082）

0 引 言

橋梁樁基、路基填土等施工會影響已運行的地鐵隧道安全，為保證施工過程中地鐵隧道的安全，相應安全分析評估尤為重要。目前國內(nèi)外對樁基與隧道相互影響已經(jīng)有相關(guān)研究。如李文琛、魏洋洋樁基與對鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的相互影響、保護等進行了理論研究[1-2]，主要基于理論計算方法如剪切位移法等以及MIDAS/NX、HS本構(gòu)模型、FLAC軟件等軟件進行數(shù)值模擬分析，李文琛得出樁基成孔與混凝土澆筑施工對臨近地鐵盾構(gòu)隧道以豎向沉降為主；魏洋洋得出盾構(gòu)推進對周圍土層影響規(guī)律，擬合出相關(guān)土體水平位移的經(jīng)驗公式等結(jié)論。周曉夫、董必成等對橋臺設(shè)置與橋臺填土等對隧道影響進行了相關(guān)研究[3-4]，采用FLAC3D有限差分軟件、GOODMAN單元、HSS模型進行數(shù)值模擬，周曉夫得出豎向變形量對承臺與盾構(gòu)之間的豎向凈距非常敏感，橫向由于基坑開挖均采用了支撐，影響不敏感；董必成得出填土引起的地鐵隧道附加荷載與變形均滿足地鐵盾構(gòu)隧道保護要求等結(jié)論。

本文以彩梅立交橋臺填土以及相應樁基施工方案對現(xiàn)有地鐵運營線安全評估分析項目為依據(jù)，采用有限元軟件PLAXIS3D進行了數(shù)值分析，考慮施工工藝以及相應步驟對隧道的影響，以便為類似項目提供理論依據(jù)和參考。

1 工程概況

深圳市彩梅立交為市區(qū)與關(guān)外交通轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點。彩梅立交全線共新建主線橋1座，匝道橋5座，通道4座。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計方案，彩梅立交K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺填土區(qū)域在地鐵10號線和聯(lián)絡線正上方。橋頭路基填土最大高2.53m，長8.8m，寬27.45m，其中所涉及的10號線隧道埋深約21.2m，上下行隧道凈距5m，路基填土中心與10號線間距，對于左線約20.05m，右線約8.93m，聯(lián)絡線約18.5m，填土面中心與聯(lián)絡線隧道凈距約14.4m。填土材料為人工填土，容重不大于20kN/m3。

K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺樁基分別位于10號線、聯(lián)絡線隧道之間，其與10號線主線隧道最小凈間距1.75m，與聯(lián)絡線最小凈間距4.25m，見圖1。

圖1 K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺樁基與隧道位置關(guān)系圖（單位：cm）

K1+105（梅林關(guān)方向）鄰近地鐵10號線主線隧道及采用礦山法施工，隧道寬6.2m，高6.75m，聯(lián)絡線采用礦山法施工，隧道寬6.86m，高6.92m。初期支護為C25混凝土，二襯為C35混凝土。

2 《深圳市地鐵集團有限公司地鐵運營安全保護區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法》相關(guān)規(guī)定

2.1 地鐵運營安全保護區(qū)范圍劃分

本工程項目符合地鐵運營線路及周邊的特定范圍內(nèi)設(shè)置的保護區(qū)域，具體為：地下車站與隧道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)50m范圍內(nèi)；地面、高架車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)30m范圍內(nèi)；出入口、通風亭、變電站等建筑物、構(gòu)筑物外邊線外側(cè)10m范圍內(nèi)。

2.2 地鐵建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)

地鐵線路交由深圳市地鐵集團做前期預、工可研起，至工程建成施工單位向我司正式移交期間的地鐵建設(shè)線路及周邊的特定范圍內(nèi)設(shè)置的控制和保護區(qū)域，其區(qū)域范圍按照2.1條執(zhí)行。本工程項目可根據(jù)2.2.1-2.2.2條相關(guān)控制指標執(zhí)行。

2.2.1 車站及隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標

車站及隧道的水平位移、豎向位移、徑向收斂、變形縫差異變形、隧道軸線變形曲率半徑、隧道變形相對變曲、車站及隧道結(jié)構(gòu)外壁附加荷載、車站及隧道振動速度等指標的控制值按下式確定：

式中：ri為項目允許值；Ki為安全控制系數(shù)，Ki≤1，具體值由技術(shù)管理中心根據(jù)地鐵設(shè)施健康檔案、隧道形態(tài)、地鐵服役現(xiàn)況和評估報告確定；Ri為控制值（具體數(shù)值參見表1）。

表1 車站及隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標標準值

2.2.2 軌道安全控制指標

運營線路軌道靜態(tài)尺寸容許變形值：軌道高低、軌向變形小于4mm/10m；兩軌道橫向高差小于4mm；三角坑高低差小于4mm/18m；扭曲變形小于4mm/6.25m；軌距+3mm，-2mm；道床脫空量不大于5mm。

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型建立參數(shù)選定

（1）材料模型及計算參數(shù)

本次模擬分析均采用線彈性體分析，不考慮材料及接觸非線性（對于彈性分析本文選用小應變硬化土模型（HSS）模擬），結(jié)構(gòu)與土體連接采用Goodman單元，其中襯砌結(jié)構(gòu)、圍護樁采用板單元，根據(jù)地勘報告與相關(guān)經(jīng)驗確定土層計算參數(shù)見表2。

（2）結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

圖2 為本工程的三維模型建立，本工程中地鐵隧道初襯襯砌混凝土強度等級C25，二襯鋼筋混凝土強度C35，結(jié)構(gòu)計算參數(shù)直接根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）確定。

圖2 有限元模型透視圖

（3）有限元模型

邊界約束對模型影響較大，為保證邊界約束更接近實際受力情況，沿隧道縱橫向均考慮50m外伸，另外模型平面尺寸選用200m（長）×100m（寬）。根據(jù)現(xiàn)場勘查資料（深圳地鐵10號線），場地內(nèi)下臥風化混合巖，對于微風化壓縮性很小，模型中不予考慮，因此模型底取到微風化頂，即高度取40m。

（4）模擬過程

有限元數(shù)值模擬所對應現(xiàn)場施工步驟充分考慮實際施工工況及步驟，見表3。

表2 地層計算參數(shù)表

表3 有限元數(shù)值模擬步驟

4 計算結(jié)果分析

本計算結(jié)果重點對樁基成孔及臺后填土兩個施工階段進行分析（為減小樁基施工對隧道影響，經(jīng)方案論證最終選用單排樁方案）。其中K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺填土與樁基施工對地鐵10號線及聯(lián)絡線影響模擬結(jié)果圖3、圖4分別為樁基成孔施工完成時隧道豎向變形及水平變形云圖，由圖可知，對于隧道最大水平向和豎向變形量：左線分別為0.018mm及0.035mm；右線分別0.09mm及0.079mm；聯(lián)絡線0.048mm及0.064mm。

圖3 樁基成孔施工完成時隧道豎向變形云圖

圖4 樁基成孔施工完成時隧道水平位移云圖

圖5 、圖6分別為橋頭填土施工完成時隧道豎向變形及水平變形云圖，由圖可知，對于隧道最大水平向和豎向變形量：左線分別為0.120mm及0.140mm；右線分別為為0.161mm及0.251mm；聯(lián)絡線0.162mm及0.189mm。

綜上所述對于樁基成孔及臺后填土等不同工況，隧道變形形態(tài)相近，對于豎向和水平向位移滿足《深圳市地鐵集團有限公司地鐵運營安全保護區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法》對位移的要求。

圖5 橋頭填土及橋梁結(jié)構(gòu)完成時隧道豎向變形云圖

圖6 橋頭填土施工完成時隧道水平變形云圖

5 結(jié)論

（1）理論分析結(jié)果分析

通過理論分析與數(shù)值模擬，K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺填土引起的地鐵10號線隧道最大附加應力為3.69kPa，隧道水平位移與豎向變形均小于1mm，隧道附加應力與變形均滿足地鐵安?？刂埔?。在該區(qū)域橋臺填土與橋梁樁基礎(chǔ)正常施工條件下，地鐵10號線區(qū)間隧道與聯(lián)絡線隧道均處于安全狀態(tài)。

（2）施工方案建議

由于有限元模擬無法精準模擬其施工過程中的振動及施工質(zhì)量偏差等因素，為保證施工安全做如下建議。a.在K1+105橋臺樁基施工過程中建議采用注漿減阻或采用深圳地區(qū)常見的“搓管樁”施工工法，同時需埋置二次注漿孔，出現(xiàn)承載力不足或者地面豎向變形較大時，及時補救；b.K1+105臺后填土存在素填土、黏土等，為減少工后沉降，尤其為減少地鐵隧道頂部附加應力影響，建議臺后盡量采用輕質(zhì)材料，且分層施工；c.并在施工過程中加強監(jiān)測，尤其要加強地鐵隧道頂部以及側(cè)壁的位移，發(fā)現(xiàn)位移偏大時及時停工，分析原因并處理后方可繼續(xù)施工。