近距離加載對盾構隧道的影響分析

張喜

(包頭市建設市場監督管理站，內蒙古包頭 014300)

隨著地鐵建設的日益增加，以及城市用地日益緊張，在地鐵隧道周邊近距離進行建筑加載也越來越普遍。近距離建筑加載會導致既有地鐵盾構隧道產生位移，從而影響軌道的平順性，因此近距離加載對地鐵隧道的影響不容忽視。對此，許多學者也根據實際工程進行了大量的研究［1-7］。本文采用有限元方法，對某軟土地區淺基礎和樁基礎建筑加荷載的等級及加載位置與隧道的水平投影距離兩個因素對地鐵隧道的位移影響進行了分析。

1 計算模型建立及參數確定

1.1 計算模型

在軟土地區5層以內的建筑一般為淺基礎，現將淺基礎建筑荷載簡化為作用在地表的矩形均布面荷載。5層以上的建筑一般為樁基礎，根據剛度等效的原則將樁基換算為實心方樁。現假設建筑荷載與隧道的走向方向基本一致，且在其縱向延伸方向上長度較長，因此建立平面模型進行計算。采用Plaxis2D建立平面計算模型，淺基礎及樁基礎模型橫向尺寸均可變，深度方向淺基礎模型為50 m，樁基礎模型為80 m，隧道頂部埋深均為9 m，加載寬度均為10 m，建筑荷載和建筑與隧道水平投影凈距為變量。淺基礎與樁基礎建筑荷載對既有隧道影響的計算簡化示意圖如圖1，圖2所示［1］。

1.2 計算參數確定

淺基礎則考慮10 kPa，20 kPa，40 kPa，60 kPa，80 kPa五種加載等級，樁基礎每層建筑荷載一般為15 kPa～20 kPa，考慮樁基礎建筑層高為10層、20層及30層3種情況，設每層建筑荷載為20 kPa。土層參數參照表1取值。盾構隧道管片外徑6.2 m、內徑5.5 m，隧道襯砌結構參數根據實際情況進行折算后選取，見表2。

對于建筑樁基，在平面問題計算中，根據剛度等效原則將樁簡化為樁墻，折減后的樁身彈性模量按下式計算:

其中，Esp為樁墻的彈性模量，kN/m2;Ep為樁體彈性模量，kN/m2;Es為土體彈性模量，kN/m2;l為樁間距，m;D為樁直徑，m。

圖1 淺基礎計算模型示意圖（單位：m）

圖2 樁基礎計算模型示意圖（單位：m）

建筑樁基礎混凝土標號為C40，彈性模量取3.25×107MPa。樁基礎及樁頂筏板結構參數如表3所示。不同層高建筑樁基參數(如樁長、樁徑及樁間距)取值如表4所示。

表1 土層物理力學性質參數

表2 襯砌結構參數

2 近距離加載對地鐵隧道的影響分析

2.1 淺基礎加載影響分析

圖3與圖4為淺基礎在不同加載等級下隧道水平位移與豎向位移隨加載距離的變化。隧道水平位移靠近加載側為正、遠離加載側為負;豎向位移以向上(隆起)為正，以向下(沉降)為負。從圖3可以看出，隧道受到單側淺基礎建筑加載作用后，在水平方向上向著遠離加載的一側移動;在加載強度相同的情況下，隨著加載距離的增加，隧道的水平位移先增大后減小，且均在d=0時達到最大值，隧道加載位于隧道正上方時達到最大值。

表3 結構參數

表4 樁基建筑層高與樁基參數對應關系

圖3 淺基礎加載距離與隧道水平位移

圖4 淺基礎加載距離與隧道豎向位移

從圖4可以看出:隧道受到單側淺基礎建筑加載作用后，在豎直方向上發生沉降;在加載強度相同的情況下，隨著加載距離的增加，隧道的豎向位移逐漸減小。由淺基礎加載的計算結果可知，水平位移與豎向位移隨著加載位置與隧道的投影距離的增加都在減小，但豎向位移減小的幅度要比水平位移大。

2.2 樁基礎加載影響分析

圖5，圖6為樁基礎在不同加載等級下隧道水平位移與豎向位移隨加載距離的變化。從圖5可以看出，隧道受到單側樁基礎建筑加載作用后，在水平方向上向著靠近加載的一側移動;在加載強度相同的情況下，隨著加載距離的增加，隧道的水平位移先增大后減小，在加載等級為200 kPa的情況下，水平位移在加載距離約為10 m時達到最大值;在加載等級為200 kPa的情況下，水平位移在加載距離約為15 m時達到最大值;在加載等級為200 kPa的情況下，水平位移在加載距離約為20 m時達到最大值。

從圖6可以看出，隧道受到單側淺基礎建筑加載作用后，在豎直方向上發生沉降;在相同加載距離下，隨著加載等級的增加，隧道的豎向位移逐漸增大;在加載等級相同的情況下，隨著加載距離的增加，隧道的豎向位移逐漸減小。由圖5與圖6比較發現，水平位移與豎向位移隨著加載位置與隧道的投影距離的增加都在減小，但豎向位移減小的幅度要比水平位移大。

2.3 淺基礎與樁基礎加載對隧道的影響對比

圖7為淺基礎與樁基礎加載時，隧道水平位移與豎向位移隨著加載等級的變化情況。比較發現，當為淺基礎時，隧道水平位移與豎向位移隨著上部荷載的增加增長相對迅速，而為樁基礎時，隧道水平位移與豎向位移隨著上部荷載的增加增長相對緩慢。

圖5 隧道水平位移隨加載距離的變化

圖6 隧道豎向位移隨加載距離的變化

圖7 隧道水平及豎向位移隨加載等級的變化

由以上分析可知，當采用樁基礎時，因建筑荷載通過樁向下傳遞，大大減小了上部加載對地鐵隧道的影響。且當建筑層高加大時，因樁長同時也得到了一定的加長，隧道水平位移與豎向位移增長的幅度遠小于淺基礎加載時隧道水平位移與豎向位移增長的幅度。由此可見，樁基礎上部加載對地鐵隧道的影響要遠小于淺基礎對地鐵隧道的影響。

3 結語

1)當加載的寬度約為10 m時，并以隧道水平位移或豎向位移控制在某個值以內作為控制條件，則根據計算結果，分別可得出淺基礎與樁基礎不同加載等級下隧道與加載水平投影的控制距離。2)淺基礎與樁基礎在加載作用下，水平位移與豎向位移隨著加載位置與隧道的投影距離的增加都在減小，但豎向位移減小的幅度明顯要比水平位移的大。3)樁基礎上部加載對既有地鐵隧道的影響要遠小于淺基礎對既有地鐵隧道的影響。因此當建筑基礎為筏板基礎且位于地鐵隧道頂部以上時，或地鐵隧道頂部地表近距離堆載時，應該注意加載對地鐵隧道的影響。

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