淺基礎條件下建筑荷載對隧道的影響分析

龍運超

(廣東中山建筑設計院股份有限公司，廣東中山 528400)

0 引言

城市軌道交通在疏解城市交通起到極其重要的作用，同時城市軌道交通也具有引導城市建設與發展的作用。在城市軌道交通線路中，地下盾構隧道占總線路的比重相當可觀［1］。在地鐵盾構隧道修建完成后，往往將迎來沿線建筑開發［2］。然而，淺基礎建筑作為低樓層(約為1 層～6 層)建筑的主要基礎形式，建筑荷載位于隧道上部，建筑荷載對隧道結構的影響遠大于深基礎［3-5］。

本論文旨在分析淺基礎建筑荷載對隧道的影響，主要包括土層因素、隧道埋深、淺基礎與隧道的水平距離及淺基礎荷載的大小等對隧道的影響。論文成果為盾構隧道的設計及運營期盾構隧道的管控提供參考與借鑒。

1 計算方法簡介

論文采用Midas GTS 有限元分析軟件建立平面應變計算模型，模型橫向尺寸可變，荷載加載寬度設定為10 m，深度方向50 m，計算模型示意圖如圖1 所示。土體采用摩爾庫侖彈塑性屈服準則，隧道襯砌和荷載板采用平面應變實體單元模擬。

圖1 計算模型示意圖

為了研究淺基礎建筑超載對盾構隧道變形的影響規律，將圖1 中各影響因素計算工況考慮如下:

1)隧道所處土層。盾構隧道所處土層全線變化比較大，為了分析隧道所處土層對隧道的影響，考慮單一土層③1黏土層、④1粉土夾粉質黏土、⑤1粉質黏土和⑥1黏土層土的情況淺基礎荷載對隧道變形的影響。各土層的力學性能參數如表1 所示。

表1 土體基本力學參數

2)隧道埋深。根據設計資料，各盾構區間隧道拱頂埋深h 在6 m～18 m 之間，隧道襯砌直徑D 為6.2 m，計算中考慮隧道埋深h 為6 m，9 m，12 m，15 m，18 m，即埋深約為1D，1.5D，2D 和3D 的情況(D 為隧道外直徑)。

3)建筑與隧道水平凈距。根據調查，地鐵線路周邊淺基礎建筑物與地鐵隧道外邊緣水平距離d(后面統稱加載距離)多在0 m～20 m 之間，為得到地面加載對盾構隧道變形的影響范圍，考慮加載距離d 為0 m，5 m，10 m，20 m，30 m 和40 m 共6 種情況。

4)建筑荷載。淺基礎建筑一般為5 層以下，每層建筑荷載在10 kPa～15 kPa 之間，因此考慮淺基礎建筑荷載為10 kPa，20 kPa，40 kPa，60 kPa 和80 kPa 共5 個荷載等級。

盾構隧道管片外徑6.2 m、內徑5.5 m，襯砌混凝土彈性模量按3.45×107MPa 考慮、密度按2 500 kg/m3考慮，襯砌按彈性均質圓筒考慮，其剛度有效率為0.65。隧道襯砌結構參數如表2所示。

選取隧道襯砌拱頂位置節點的水平位移和豎向位移來分析各影響因素對盾構隧道變形的影響;隧道水平位移靠近加載側為正、遠離加載側為負;豎向位移向上(隆起)為正、向下(沉降)為負。

表2 盾構隧道結構參數

2 計算結果分析

2.1 土層對隧道結構的影響

在分析淺基礎建筑加載作用下土層對盾構隧道變形的影響時，首先要固定其他的影響因素。設隧道埋深為9 m、加載距離為0 m、加載寬度為10 m、加載等級為60 kPa 時，不同土層情況下，隧道水平及豎向位移如圖2，圖3 所示。

由圖2，圖3 可見，土層對隧道水平及豎向位移的影響由大到小依次為⑤層、③層、⑥層和④層土;當土層由⑤層土變化到③層土時，隧道水平及豎向位移減小幅度在57%～63%之間;當土層由⑤層土變化到⑥層土時，隧道水平及豎向位移減小幅度在62%～70%之間;當土層由⑤層土變化到④層土時，隧道水平及豎向位移減小幅度在68%～77%之間。

圖2 隧道水平相對位移隨土層的變化

圖3 隧道豎向相對位移隨土層的變化

由以上分析可知，地面荷載作用下，當土層為④層和⑥層土時，減小淺基礎荷載對隧道的影響較為有利。

2.2 隧道埋深對隧道結構的影響

分析隧道埋深對隧道結構的影響時，考慮模型中土層為⑥層土、加載寬度為10 m、淺基礎荷載等級為60 kPa，不同埋深下隧道水平及豎向位移隨加載距離的變化關系如圖4，圖5所示。

圖4 不同埋深下隧道水平位移隨加載距離的變化

圖5 不同埋深下隧道豎向位移隨加載距離的變化

由圖4，圖5 可以看出，相同加載距離情況下，隨著埋深的增加，隧道豎向位移逐漸減小;在加載距離約5 m 內(0.5 倍加載寬度)，隧道水平位移隨埋深的增加而減小，在加載距離約15 m 外(1.5 倍加載寬度)，水平位移隨埋深的增加而增大，但此時位移量值已相對較小。將加載距離為0 m 時隧道水平及豎向位移隨埋深的變化關系整理如圖6 所示。

由圖6 分析可知，淺基礎建筑荷載作用下，隧道埋深6 m～18 m 范圍內，埋深每增加6 m(1 倍隧道直徑)，隧道變形減小約20%;說明淺基礎建筑荷載對深埋隧道的影響相對較小，增加隧道埋深可以有效地減小淺基礎荷載對隧道的影響。

2.3 水平距離對隧道結構的影響

由圖4，圖5 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，在豎直方向上發生沉降。不同埋深等級情況下，隧道水平及豎向位移隨加載距離的變化規律基本一致;隨著加載距離的增加，水平位移先增大后減小，豎向位移逐漸減小。與豎向位移相比，隧道水平位移整體上相對較小，不同埋深下隧道最大水平位移約為豎向位移的23%～47%。當建筑與隧道的水平凈距超過30 m 時，隧道的水平位移與豎向位移趨于收斂，且對于豎向位移可以控制在建筑正下方隧道豎向位移的20%以內。

圖6 隧道水平及豎向位移隨埋深的變化

2.4 荷載大小對隧道結構的影響

考慮模型中土層為⑥層土、隧道埋深為9 m、加載寬度為10 m、加載距離為0 m，隧道水平及豎向位移隨建筑荷載變化關系如圖7 所示。

圖7 隧道水平及豎向位移隨加載等級的變化

由圖7 可以看出，隨著地面荷載的增加，隧道水平及豎向位移均逐漸增大，且速率也呈現增大的趨勢，其中豎向位移增大速率較水平位移要大。

3 結語

通過分析淺基礎荷載作用下對隧道的影響時，分別對土層因素、隧道埋深、淺基礎與隧道的水平距離及淺基礎荷載的大小等對隧道的影響，主要得到以下結論:

1)土層因素分析表明，土層的壓縮模量越大，淺基礎荷載作用下對隧道的影響越小。

2)隨著隧道埋深的增大或隨著淺基礎距離的增加，淺基礎荷載作用下對隧道的影響均逐漸減小。對隧道的影響中，隧道頂部的豎向位移要大于水平位移。

3)隨著地面荷載的增加，隧道水平及豎向位移均逐漸增大，且速率也呈現增大的趨勢，其中豎向位移增大速率較水平位移要大。

［1］黃潤秋，戚國慶.地鐵隧道盾構法施工對環境的影響研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(S1):2464-2468.

［2］CJJ/T 202—2013，城市軌道交通結構安全保護技術規范［S］.

［3］李 淼.建筑物對盾構隧道施工引起地面沉降模式的影響［J］.工程勘察，2009(6):30-33.

［4］劉庭金.深基坑施工對地鐵盾構隧道的影響分析［J］.現代隧道技術，2008(sup):216-220.

［5］劉小強，潘玲玲.基坑施工對盾構隧道變形的影響研究［J］.橋梁與隧道工程，2014(12):231-232.