王星 WANG Xing；李明君 LI Ming-jun

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)利用越來越充分，地下綜合管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的修建日趨增多。但近年來城市地下軌道交通的快速發(fā)展，城市市政管網(wǎng)與既有地鐵區(qū)間接近施工情況時有發(fā)生[1，2]。如何在保證不影響既有地鐵結(jié)構(gòu)的安全條件下，合理的開展新建工程建設(shè)顯得尤為重要，若有不當(dāng)，后果將不堪設(shè)想。臺北市某處地鐵附近開挖深基坑導(dǎo)致臨線隧道管壁破壞，結(jié)果造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失[4]。

因此，針對新建工程施工對近接地鐵隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形影響進(jìn)行研究具有很重要的工程實際意義[4]。本文以新建地下電力管廊近接某軌道交通盾構(gòu)區(qū)間施工為工程案例，對近接施工的影響因素進(jìn)行分析，并采用數(shù)值計算方法預(yù)測新建工程施工引起的地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)附加位移變形及內(nèi)力變化，然后在此基礎(chǔ)上評估對近接既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響，提出相關(guān)保護(hù)建議，為后續(xù)工程提供一定借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 新建構(gòu)筑物概況及近接位置關(guān)系

依托工程為濟(jì)南地鐵某盾構(gòu)區(qū)間，該地鐵區(qū)間隧道已經(jīng)完成施工，電力管廊位于區(qū)間隧道右斜上方，隧道結(jié)構(gòu)與基坑最小水平距離約4m，垂直距離約5.2m，斜向凈距約7.86m。

新建地下電力管廊為雙溝結(jié)構(gòu)型式，凈空尺寸2.3m*2.4m*2，位于新建道路北幅。電力管溝的墊層采用C15砼厚度10cm，底板、側(cè)墻及頂板厚度均30cm，采用C30（P6）鋼筋混凝土。溝槽基坑設(shè)計采用自然放坡開挖，管廊結(jié)構(gòu)澆筑完成后進(jìn)行覆土回填。新建電力管溝與既有區(qū)間隧道平剖位置關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 新建電力管溝與既有區(qū)間隧道平面位置圖

圖2 新建電力管溝與既有區(qū)間隧道剖面位置圖

1.2 地質(zhì)與水文條件

電力管廊開挖深度地層自上而下分別為：素填土、＜16-1＞粉質(zhì)粘土，水位較低，基坑高度范圍未見無地下水。

2 對既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查

既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)埋深7～9m。隧道主要穿越中風(fēng)化石灰?guī)r、全風(fēng)化泥灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r、中風(fēng)化石灰?guī)r等。運(yùn)營期間的抗浮水位標(biāo)高為30.5m，位于底板以下，無需考慮抗浮水壓。

既有隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用圓形盾構(gòu)管片，為預(yù)制鋼筋砼結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)管片分為6塊（1封頂塊+2鄰接塊+3標(biāo)準(zhǔn)塊），管片環(huán)外徑6.4m、內(nèi)徑5.8m、管片寬度1.2m、管片厚度0.3m，管片之間及管片環(huán)之間采用高強(qiáng)彎螺栓連接，管片混凝土強(qiáng)度等級采用C50，抗?jié)B等級P10。

經(jīng)現(xiàn)場查看，盾構(gòu)管片觀感良好，表面混凝土無明顯蜂窩麻面現(xiàn)象，管片局部存在破損經(jīng)修補(bǔ)后外觀良好，無明顯貫穿裂縫。雨季期間隧道局部有濕漬，存在滲漏水。

3 近接既有隧道影響分析及安全評價

3.1 近接施工影響機(jī)理及影響因素分析

近接既有隧道施工中，既有隧道開挖對原始地層應(yīng)力場發(fā)生擾動，導(dǎo)致應(yīng)力場重新分布并形成第一次應(yīng)力平衡。隨著新建地下構(gòu)筑物的開挖，隧道周圍地層應(yīng)力場再次發(fā)生擾動，應(yīng)力再次重新分布，演化過程與第一次擾動相似，最后應(yīng)力場形成第二次新的平衡[3]。這種演化過程劣化了既有隧道結(jié)構(gòu)及周邊的圍巖，可能會造成對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形或破壞，進(jìn)而影響既有隧道的安全和運(yùn)營。

圖3 既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)

新建電力管廊施工對既有區(qū)間的影響因素主要有：新建基坑開挖破壞原有地層，新建結(jié)構(gòu)自重荷載；對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏壓差等。

主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

①上部基坑開挖及土體卸載。新建地下構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)位于既有隧道的右上方，在上部基坑開挖施工時，引起基底及坑壁土體同時卸載，隧道周圍應(yīng)力重新分布，地層發(fā)生向上拉伸變形與位移。同時，因土體卸荷后，上部覆蓋層埋深變小，可能會影響隧道周邊的成拱作用，導(dǎo)致隧道襯砌上的荷載增大。

②建筑構(gòu)筑物建成后的荷載影響。新建構(gòu)筑物完成后，構(gòu)筑物在隧道周邊產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，造成隧道襯砌的上覆荷載增大，且因新建物位于隧道側(cè)上方，對隧道產(chǎn)生偏壓力作用，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生影響，襯砌發(fā)生擠壓變形和位移。

3.2 對近接結(jié)構(gòu)體的安全評估方法

目前，國內(nèi)外學(xué)者對有關(guān)鄰近地鐵隧道施工的計算分析方法也展開了一些研究，主要有兩類。

第一類是有限元數(shù)值模擬方法（FCFEM）。該方法的特點是在模擬新建構(gòu)筑物施工的同時，將周圍土體和地鐵隧道看作一個整體進(jìn)行分析，其中采用殺死單元技術(shù)來模擬基坑開挖，然后反向施加開挖邊界節(jié)點力來模擬土體應(yīng)力釋放。FCFEM能夠模擬隧道與土體間復(fù)雜的相互作用以及土體的彈塑行為[4-6]。該方法也是目前國內(nèi)主要的分析手段，適用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，能更好的模擬工程實際情況。通常利用大型商業(yè)化有限元軟件進(jìn)行計算，比如Ansys、Flac、Midas等。

第二類為兩階段分析方法。該方法的特點是首先計算新建工程施工所對近接既有隧道的引起的附加應(yīng)力或土體變形，然后將附加應(yīng)力或土體變形施加于隧道，再分析既有隧道的縱向變形和內(nèi)力的變化。但是該中計算方法存在未考慮既有隧道的存在對附加應(yīng)力影響的弊端，可作為一種簡化計算。

3.3 近接施工影響分析

本次分析采用MIDAS-GTS巖土與隧道仿真分析軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，旨在通過模擬更加真實的反映新建地下電力管廊構(gòu)筑物施工對臨近既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響。

①計算原則。

1）假定圍巖各層都是各向同性連續(xù)介質(zhì)，土體采用摩爾庫侖本構(gòu)模型；

2）假定地表和各土層均成層均質(zhì)水平分布；

3）地層和材料應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍變化；

4）初始平衡按照將重力加速度加到模型上，由程序自動獲得。

②計算模型。

計算模型長70m，寬70m，高度方向（z方向）取32.7m。巖土體為實體單元，采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，隧道管片及電力襯砌采用shell結(jié)構(gòu)單元模擬，整體計算模型共生成20180個單元、11352個節(jié)點。整體模型的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 計算模型及近接空間位置關(guān)系示意圖

③計算參數(shù)。

選取項目周邊鉆孔地質(zhì)信息作為模型計算參數(shù)，各土層基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

④計算步驟。

巖土體的開挖是在前一計算步驟所得地應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是一個應(yīng)力重分布及重新平衡的過程，數(shù)值計算時按實際開挖方法施加地層釋放荷載，并求解開挖后的應(yīng)力場變化。為了更好的反反映既有隧道及新建工程實際建設(shè)時序，先計算原始地應(yīng)力場，模擬既有隧道建設(shè)，完成第一次初始地應(yīng)力平衡后，并位移清零，作為新建工程的初始條件，然后按照新建電力管溝基坑開挖、結(jié)構(gòu)施工、覆蓋回填等工況模擬，分析二者的近接影響。

⑤位移及變形計算結(jié)果分析。

1）工況一：電力管溝基坑開挖

工況一完成后，基坑及隧道結(jié)構(gòu)位移變形如下：

新建基坑開挖后引起基底隆起位移約20mm，如圖5；下部隧道結(jié)構(gòu)因基坑土體卸載后，右線拱肩位部位向外側(cè)變形，水平變形為0.6mm，豎向變形為1.26mm，如圖6及圖7。

圖5 工況一 基坑底部豎向隆起位移云圖

圖6 工況一 隧道結(jié)構(gòu)水平變形

圖7 工況一隧道結(jié)構(gòu)豎向變形

2）工況二：電力管廊結(jié)構(gòu)施工

電力管溝基坑開挖至基底，施作電力管溝主體結(jié)構(gòu)，隧道結(jié)構(gòu)變形結(jié)果如下：

電力管廊結(jié)構(gòu)施工完成后，由于基坑底部墊層及主體結(jié)構(gòu)自重荷載的回壓，右線結(jié)構(gòu)拱肩處水平及豎向變形分別減小至0.57mm、1.07mm，如圖8及圖9。

圖8 工況二隧道結(jié)構(gòu)水平變形

圖9 工況二 隧道結(jié)構(gòu)豎向變形

3）工況三：電力管溝基坑回填

覆土回填后，隧道結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果如下：

電力管溝基坑回填施工完成后，因上部荷載的繼續(xù)回壓，右線隧道結(jié)構(gòu)拱肩處變形繼續(xù)減小，分別為0.13mm、0.12mm。如圖10及圖11。

圖10 工況三隧道結(jié)構(gòu)水平變形

圖11 工況三隧道結(jié)構(gòu)豎向變形

根據(jù)上述工況一、工況二及工況三的計算對比分析，工況一為最不利工況，當(dāng)基坑開挖完成后引起既有隧道結(jié)構(gòu)拱肩側(cè)向變形是最大的。

⑥內(nèi)力變化結(jié)果分析。

工況三完成后，既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化如圖12-圖14。

圖12 隧道結(jié)構(gòu)彎矩云圖

圖14 隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

3）上部新建管廊工程施工完成后，如圖12及圖13，隧道結(jié)構(gòu)彎矩最大值約81kN*m/m，軸力480kN/m，經(jīng)核算原結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計，滿足結(jié)構(gòu)承載力及裂縫控制要求。

圖13 隧道結(jié)構(gòu)軸力云圖

綜上所述，新建地下電力構(gòu)筑物施工對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全性影響較小，經(jīng)過理論變形預(yù)測、內(nèi)力分析及承載力驗算，既有地鐵結(jié)構(gòu)是安全的。

4 結(jié)語與建議

本文以某城市新建地下電力管廊近接既有地鐵區(qū)間隧道施工為工程背景，采用三維有限元數(shù)值手段分析了新建工程在近接施工中對先建隧道的影響進(jìn)行全過程工況分析和安全評價，總結(jié)出一定的規(guī)律，可為類似工程提供借鑒和參考，并提出一些安全保護(hù)建議如下：

①新建構(gòu)筑物與既有地鐵隧道近接時，后建工程施工將引起既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力變化，應(yīng)對既有結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行充分評估。

②在既有地鐵結(jié)構(gòu)近接范圍內(nèi)進(jìn)行基坑開挖時，基坑底部隆起引起的既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)局部發(fā)生變形，產(chǎn)生拉應(yīng)力，在較差地質(zhì)情況下，建議對兩者之間的土體采取加固改良措施，有助于減小隧道周邊土體變形，必要時可以采取打設(shè)隔離樁保護(hù)措施，抵抗基坑開挖對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

③本文由于地下水文較低，未考慮地下水抗浮作用，地鐵上方土體的開挖，相當(dāng)于卸載作用，將增加地鐵區(qū)間的上浮風(fēng)險，在地下水位較高或者富水地層中宜在地鐵區(qū)間周邊設(shè)置抗拔錨桿或其他抗浮措施等，以抵抗土體卸載引起的結(jié)構(gòu)上浮，減少既有地鐵區(qū)間的變形。

④上部新建結(jié)構(gòu)施工期間，建議加強(qiáng)地下及地下動態(tài)監(jiān)控量測，尤其是對文中數(shù)值計算結(jié)果顯示內(nèi)力及變形較大的部位進(jìn)行重點監(jiān)測。

⑤既有地鐵結(jié)構(gòu)位移變形最大值發(fā)生在上部基坑開挖落底時的工況，后期新建結(jié)構(gòu)施作及覆土回填后有助于改善地鐵結(jié)構(gòu)的位移變形，因此基坑施工時應(yīng)減少基底暴露時間，盡早施作地下新建結(jié)構(gòu)并回填。

⑦安全評價。

結(jié)合《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ202-2013），控制指標(biāo)及判別見表2。

表2 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

1）從表可看出電力管溝施工中隧道結(jié)構(gòu)最大豎向變形及水平變形均小于10mm，滿足規(guī)范要求。

2）新建工程施工完成后，如圖14，隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力約1.6MPa＜1.89MPa，滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全要求。