張旭群，隋耀華，陳曉丹

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

在城市改造與擴(kuò)容進(jìn)程中，市政項(xiàng)目涉及的基坑、樁基等近接施工與既有地鐵隧道之間的相互影響是需考慮的焦點(diǎn)問(wèn)題。由于地鐵隧道對(duì)變形的要求嚴(yán)格，基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放不可避免地引起周圍土體出現(xiàn)位移，導(dǎo)致近接地鐵隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，可能對(duì)鄰近的地鐵隧道安全造成影響。因此，需評(píng)估近接施工的影響，并預(yù)測(cè)隧道附加變形量?？紤]地鐵結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性及安全性要求，在已建成的隧道中埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備存在一定困難，故數(shù)值模擬分析為研究此類課題的重要方法。張保存等[1]以天津西站南廣場(chǎng)為例，模擬分析了基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵的影響，結(jié)果表明基坑開(kāi)挖引起的結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為水平位移，豎向位移可忽略不計(jì)。高強(qiáng)等[2]以西安南門(mén)外綜合改造工程環(huán)城南路市政隧道上跨既有地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道為依托，對(duì)市政隧道基坑開(kāi)挖對(duì)下臥地鐵盾構(gòu)隧道的影響進(jìn)行數(shù)值分析，并對(duì)隧道抗浮進(jìn)行驗(yàn)算。薛彥琪等[3]以長(zhǎng)沙市近接地鐵1號(hào)線的大劇院項(xiàng)目為例，對(duì)深基坑開(kāi)挖卸荷引起的地鐵隧道變形進(jìn)行研究。張兵兵等[4]以濟(jì)南市近接地鐵R3線的醫(yī)養(yǎng)中心工程施工為例，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明基坑開(kāi)挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成的影響在規(guī)范限值內(nèi)。孫雅珍等[5]以杭州某近接地鐵隧道基坑工程為例，對(duì)基坑近接施工造成的既有隧道及周圍土體影響進(jìn)行了研究。劉波等[6]以深圳地鐵11號(hào)線、5號(hào)線隧道工程為例，研究了前海自貿(mào)區(qū)基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)隧道變形的影響。

城市立交橋建設(shè)中，需研究樁基對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)隧道的影響，樁基施工對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起土體有效應(yīng)力變化，從而改變周圍土體應(yīng)力水平和位移，引起隧道結(jié)構(gòu)附加變形和附加應(yīng)力變化。樁徑、樁與隧間水平凈距等均對(duì)既有地鐵隧道安全產(chǎn)生影響。丁智等[7]、張偉等[8]和Schroeder等[9]均基于數(shù)值模擬和實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了樁基施工對(duì)既有隧道的影響。黃國(guó)超[10]通過(guò)開(kāi)展有限元分析，研究了有無(wú)樁基對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。呂寶偉[11]進(jìn)一步研究了樁基施工對(duì)隧道內(nèi)力及變形的影響。靳軍偉等[12]研究了樁基擠土過(guò)程對(duì)近接既有地鐵隧道變形與力學(xué)性能的影響。張誠(chéng)等[13]對(duì)鄰近地鐵深基坑工程超深TRD工法進(jìn)行了研究。

綜上所述，目前關(guān)于基坑、樁基等近接施工對(duì)地鐵隧道的影響研究多基于具體工程案例開(kāi)展數(shù)值模擬分析，主要集中在隧道變形方面，但不同地區(qū)地質(zhì)條件不同，地鐵結(jié)構(gòu)在近接施工條件下的響應(yīng)不同，既有研究成果難以直接借鑒和參考，需對(duì)具體工程進(jìn)行具體分析。本文結(jié)合近接廣州地鐵22號(hào)線某快速路工程為依托，對(duì)基坑及樁基施工對(duì)地鐵隧道水平位移、豎向位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

近接廣州地鐵22號(hào)線某快速路工程位于廣州南站商務(wù)區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)，全長(zhǎng)2.986km，規(guī)劃紅線寬度80m，主線為雙向8車道，設(shè)計(jì)速度80km/h，輔道為雙向6車道，設(shè)計(jì)速度40km/h。本工程涉及橋墩樁基、上部混凝土箱梁、輔道地基、燃?xì)獗Ｗo(hù)橋、新建電力隧道、雨水管施工等。

地鐵隧道洞身主要位于粉質(zhì)黏土、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化層中，考慮樁基施工及路基填筑時(shí)土體側(cè)向卸載及頂部豎向加載可能產(chǎn)生隧道位移，隧道洞身所在位置巖土層物理力學(xué)特性對(duì)樁基施工產(chǎn)生的影響更敏感。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)擬建快速路與近接地鐵隧道的空間關(guān)系，基于MIDAS GTS/NX巖土分析軟件建立三維數(shù)值模型，如圖1所示。模型長(zhǎng)270m，寬170m，土層計(jì)算深度為80m。土體采用彈塑性本構(gòu)模型模擬，具體參數(shù)如表1所示。22號(hào)線盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑7 700mm，外徑8 500mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，采用彈性本構(gòu)模型模擬。

圖1 三維數(shù)值模型

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 邊界條件

模型底部約束z向位移，模型前、后面約束y向位移，模型左、右面約束x向位移。

2.3 荷載條件

荷載來(lái)源主要為巖土層自重、樁基自重、橋墩自重及現(xiàn)澆梁滿堂支架荷載，一般地面按20kPa考慮，樁基超載按40kPa考慮，現(xiàn)澆梁滿堂支架荷載按24kPa考慮。

在現(xiàn)狀道路上施工，荷載壓力擴(kuò)散角取23°，地鐵覆土厚度為9.5m，荷載單邊擴(kuò)散距離為4.03m，滿堂支架荷載可影響的左、右線隧道荷載范圍為46m×15.6m。荷載傳至地鐵頂部的面積為1 279.45m2，擴(kuò)散至隧道頂部的應(yīng)力為7.3kPa。對(duì)所有荷載應(yīng)力擴(kuò)散范圍進(jìn)行分析，可知隧道頂部受滿堂支架荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力為7.3kPa<20kPa，施工荷載滿足要求?，F(xiàn)澆梁支架施加在地面的附加荷載在地層擴(kuò)散后使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力為13.46kPa<20kPa，施工荷載滿足要求。

2.4 模擬工況

共模擬8種施工工況，工況1模擬初始地應(yīng)力狀態(tài)(考慮未開(kāi)挖狀態(tài)的巖土層應(yīng)力)，工況2模擬地鐵隧道施工，工況3模擬樁基、承臺(tái)開(kāi)挖，工況4模擬樁基、承臺(tái)及橋墩灌注，工況5模擬頂管井、電力隧道井和圓管涵基坑開(kāi)挖，工況6模擬基坑回填，工況7模擬高架段箱梁施工，工況8模擬路基填筑施工。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

基坑、樁基等基礎(chǔ)施工前，隧道在上部土體和周圍土體的作用下處于相對(duì)平衡狀態(tài)，受近接施工的影響，打破了隧道原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，隧道發(fā)生豎向和水平變形，應(yīng)力重新分布。

3.1 隧道水平位移

工況3～8引起的隧道最大水平位移分別為0.15，0.22，0.57，0.63，0.70，0.72mm，滿足有關(guān)規(guī)范要求，工況3，4引起的隧道最大水平位移較小。工況3主要為成樁過(guò)程中樁孔側(cè)壁卸載引起的隧道水平位移；工況4主要為注漿壓力引起的隧道水平位移；工況5主要為基坑開(kāi)挖過(guò)程隧道上方卸載及頂管井側(cè)壁卸載引起的隧道水平位移；工況6主要受基坑總回填量的影響；工況7主要為滿堂支架荷載引起的隧道水平位移；工況8由于路基應(yīng)力呈水平層狀分布，路基填筑高度1.5～2.0m，隨著填筑的進(jìn)行，路基應(yīng)力增大，引起隧道局部應(yīng)力相應(yīng)增大，進(jìn)而引起隧道右線靠近道路交叉口位置發(fā)生0.72mm的水平位移。

3.2 隧道豎向位移

工況3～8引起的隧道最大豎向位移分別為0.97，-1.04，2.19，-3.01，-3.59，-3.81mm。工況3，5由于基礎(chǔ)卸荷的影響引起坑底回彈，造成隧道隆起，豎向位移分別為0.97，2.19mm；其余工況均引起隧道沉降，路基填筑階段引起的隧道沉降最大，出現(xiàn)在隧道右線靠近道路交叉口位置，為-3.81mm。應(yīng)注意基坑回填和高架段箱梁施工引起的隧道沉降不容忽視。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力

工況2～8引起的隧道最大彎矩分別為282.01，285.94，281.89，281.87，281.92，281.93，288.93kN·m，可知工況4～7引起的隧道彎矩基本相同；地鐵隧道施工時(shí)的初始彎矩較小，路基填筑引起的隧道彎矩較大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于MIDAS GTS/NX軟件建立了近接廣州地鐵22號(hào)線某快速路工程三維數(shù)值模型，對(duì)不同施工工況引起的隧道變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了研究。

1)隧道頂部受滿堂支架荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力為7.3kPa，施工荷載滿足要求?，F(xiàn)澆梁支架施加在地面的附加荷載在地層擴(kuò)散后使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力為13.46kPa，施工荷載滿足要求。

2)樁基、承臺(tái)開(kāi)挖及灌注引起的隧道水平位移與豎向位移均較小，高架段箱梁施工及路基填筑引起的隧道水平位移與豎向位移均較大。

3)路基填筑施工是引起隧道水平位移、豎向位移及內(nèi)力變化的主要因素，影響范圍在靠近隧道路口處，引起的隧道最大水平位移為0.72 mm，最大豎向位移為-3.81mm，最大彎矩為288.93kN·m。