近距離加載對盾構(gòu)隧道的影響分析

張喜

(包頭市建設(shè)市場監(jiān)督管理站，內(nèi)蒙古包頭 014300)

隨著地鐵建設(shè)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(jìn)行建筑加載也越來越普遍。近距離建筑加載會導(dǎo)致既有地鐵盾構(gòu)隧道產(chǎn)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(xué)者也根據(jù)實際工程進(jìn)行了大量的研究［1-7］。本文采用有限元方法，對某軟土地區(qū)淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)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(jìn)行了分析。

1 計算模型建立及參數(shù)確定

1.1 計算模型

在軟土地區(qū)5層以內(nèi)的建筑一般為淺基礎(chǔ)，現(xiàn)將淺基礎(chǔ)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(chǔ)，根據(jù)剛度等效的原則將樁基換算為實心方樁。現(xiàn)假設(shè)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(jìn)行計算。采用Plaxis2D建立平面計算模型，淺基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)模型橫向尺寸均可變，深度方向淺基礎(chǔ)模型為50 m，樁基礎(chǔ)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(chǔ)與樁基礎(chǔ)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(shù)確定

淺基礎(chǔ)則考慮10 kPa，20 kPa，40 kPa，60 kPa，80 kPa五種加載等級，樁基礎(chǔ)每層建筑荷載一般為15 kPa～20 kPa，考慮樁基礎(chǔ)建筑層高為10層、20層及30層3種情況，設(shè)每層建筑荷載為20 kPa。土層參數(shù)參照表1取值。盾構(gòu)隧道管片外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)實際情況進(jìn)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(jù)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(chǔ)計算模型示意圖（單位：m）

圖2 樁基礎(chǔ)計算模型示意圖（單位：m）

建筑樁基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號為C40，彈性模量取3.25×107MPa。樁基礎(chǔ)及樁頂筏板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。不同層高建筑樁基參數(shù)(如樁長、樁徑及樁間距)取值如表4所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

表2 襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 近距離加載對地鐵隧道的影響分析

2.1 淺基礎(chǔ)加載影響分析

圖3與圖4為淺基礎(chǔ)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(cè)為正、遠(yuǎn)離加載側(cè)為負(fù);豎向位移以向上(隆起)為正，以向下(沉降)為負(fù)。從圖3可以看出，隧道受到單側(cè)淺基礎(chǔ)建筑加載作用后，在水平方向上向著遠(yuǎn)離加載的一側(cè)移動;在加載強(qiáng)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(dá)到最大值，隧道加載位于隧道正上方時達(dá)到最大值。

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 樁基建筑層高與樁基參數(shù)對應(yīng)關(guān)系

圖3 淺基礎(chǔ)加載距離與隧道水平位移

圖4 淺基礎(chǔ)加載距離與隧道豎向位移

從圖4可以看出:隧道受到單側(cè)淺基礎(chǔ)建筑加載作用后，在豎直方向上發(fā)生沉降;在加載強(qiáng)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(chǔ)加載的計算結(jié)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(chǔ)加載影響分析

圖5，圖6為樁基礎(chǔ)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(cè)樁基礎(chǔ)建筑加載作用后，在水平方向上向著靠近加載的一側(cè)移動;在加載強(qiáng)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(dá)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(dá)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(dá)到最大值。

從圖6可以看出，隧道受到單側(cè)淺基礎(chǔ)建筑加載作用后，在豎直方向上發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(chǔ)與樁基礎(chǔ)加載對隧道的影響對比

圖7為淺基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)為淺基礎(chǔ)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(chǔ)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(dāng)采用樁基礎(chǔ)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(dāng)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(yuǎn)小于淺基礎(chǔ)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(chǔ)上部加載對地鐵隧道的影響要遠(yuǎn)小于淺基礎(chǔ)對地鐵隧道的影響。

3 結(jié)語

1)當(dāng)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(nèi)作為控制條件，則根據(jù)計算結(jié)果，分別可得出淺基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)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(chǔ)與樁基礎(chǔ)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(chǔ)上部加載對既有地鐵隧道的影響要遠(yuǎn)小于淺基礎(chǔ)對既有地鐵隧道的影響。因此當(dāng)建筑基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)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(yīng)該注意加載對地鐵隧道的影響。

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