盾構施工對鄰近既有隧道的影響分析

【摘要】隨著經濟的快速發展，各行各業都在十分快速的發展。隨著城市土地資源的緊張，合理的開發城市地下空間，緩解城市土地資源緊張的現狀，建設地鐵和相關配套設施已成為我國大中城市發展的趨勢。在建設地下空間時難免會開挖大量的基坑工程，所以常常會遇到地下工程周邊既有地鐵隧道等工程問題。由于地鐵隧道處在淺土層，對土體的變形和沉降有著十分嚴格的要求，但基坑工程的施工會使土體卸荷，從而造成土體應力和地下水位的重分布的現象，從而誘發開挖土體附近的隧道結構出現偏移、沉降和變形，最終可能嚴重影響到地鐵的正常使用。

【關鍵詞】基坑施工；盾構隧道；數值模擬；隧道變形

隨著各行各業的快速發展，為研究基坑對鄰近既有地鐵盾構隧道的影響，本文以上海桃浦路-真南路下穿立交B區基坑工程為案例，通過有限元數值模擬，對既有地鐵盾構隧道的雙基坑工程施工進行仿真分析，得到基坑卸荷對鄰近既有地鐵隧道結構的變形和穩定性的影響規律，可確保其安全正常運行，可為類似基坑工程設計和施工提供參考。

1、盾構法簡述

盾構法是利用盾構機在地下作業的暗挖法的一種施工方式，全程施工屬于全自動機械化施工，它的主要工作特點是在土層中緩慢向前推進，一邊推進一邊將推進后的空間進行結構加固，圍繞盾構機的土體則通過盾構機的外殼來支撐防止發生坍塌。盾構機前段通過刀片切割土體，然后通過機內的運輸裝置將切割的土體進行外送，每推進一段距離，盾構機尾部通過加壓裝置將預制的管片進行拼裝進而形成隧道的一種施工方法。盾構法施工越來越得到人們的關注，盾構法施工有其獨特的施工條件、施工優點；盾構法施工主要運用在地下設施埋深較深的地方或者地層松軟的含水層。符合以下幾點可采用盾構法施工：（1）有相應適合盾構機進出場地的條件，且所開挖的線位上有相應的工作井。（2）埋深較大的土層，上部覆土厚度不小于盾構直徑且不小于6m。（3）需要使用盾構開挖的地層與相對均質的地質條件；（4）洞室與建（構）筑物及洞室與洞室之間的間距滿足水平間距1m，豎直方向1.5m。（5）考慮經濟效益，連續的施工長度不應小于300m。

2、三維數值模型的建立

三維數值模型的建立是在對實際施工概況的基礎上，針對具體施工參數設置參數，軟件模擬按照嚴格的施工工序進行，土層劃分，土層類別，土層參數。還有一些施工中盾構的先后順序，盾構注漿等等都要與實際工況相符合。該模型的建立過程主要是通過有限元分析軟件MidasGTSNX對合肥地鐵5號線下穿1號線左線的工程實例進行模擬豎向空間交叉時，1號線的變形及受力情況以及盾構區間上方地表沉降變化的規律。實際工程工況中上下交叉隧道的距離為3m，現以盾構隧道與既有隧道垂直距離的不同為工況，研究不同距離盾構施工時對既有的1號線的影響分析，然后與實際的盾構隧道引起的變化作對比分析。根據實際的施工地質條件及施工工況，利用有限元分析軟件建立數值分析模型，其相應的參數如下：模型大小為110*130*50，上部覆土厚度依次為1.5m、3.5m、28m、7m、10m，1號線隧道頂部距離上部土層厚度為8.8m，5號線拱頂距離1號線拱頂距離為3m，距離上部土層距離為17m，盾構隧道半徑為3m，襯砌的厚度為0.3m，距離左右邊界的距離約為18m。

3、有限元模型的建立

為驗證基坑支護方案的合理性以及基坑施工過程中對軌道交通R11#線的影響，對此進行了大型有限元三維數值模擬。

3.1模型基本假設

該基坑工程分多種支護結構，開挖過程由6個工況組成，其中基坑上穿R11#軌道線，故整個三維計算模型非常復雜。

3.2計算模型

根據現場土層的實景情況對場地進行劃分，并建立基坑工程的數值計算模型。模型長寬高分別為300、200、100m，在模型中分別是X、Y、Z坐標軸，共計32564個8節點四面體單元。

3.3材料參數

該模型采用Drucker-Prager模型計算土體材料，隨著材料的逐漸屈服，土層的屈服面并未發生明顯改變；真正影響其屈服強度的是土體的側壓力。

3.4荷載與邊界條件

（1）荷載條件。土體的自重荷載為模型上的荷載條件。重力加速度取9.8m·s-2。（2）邊界條件。模型的邊界約束條件包括底面約束，側面四個邊界約束以及上表面約束。其中由于基坑頂部為開挖部分，故上表面自由邊界；四周為土體圍壓所以只需限制水平位移；底面則需要同時限制水平和豎向位移。

4、計算結果及分析

4.1基坑的變形分析

基于對基坑安全性與穩定性的考慮，使用ANSYS軟件對基坑的變形進行分析。（1）X方向基坑位移。基坑沿X方向的最大位移發生在基坑兩側端部，變形最大值為10.487mm，滿足基坑的最大變形要求。（2）Y方向基坑位移。右線基坑最外側的位移量最大，位移最大值為9.12mm，小于基坑的允許最大變形要求。

4.2支撐結構受力分析

由支撐結構的剪力、軸力、彎矩圖可知，A基坑的第四根支撐與B基坑第一根支撐處出現最大剪應力，最大剪應力為0.028MN；A基坑的第二根支撐和B基坑的第三根支撐處出現最大軸應力，最大軸力值為3.21MN；A基坑的第四根支撐和B基坑的第一根支撐出現最大彎矩，最大彎矩值為0.143MN·m。

4.3隧道位移分析

為確保盾構隧道在基坑開挖過程中不受基坑土體凸起的影響，確保盾構隧道位移量符合要求，不至于影響隧道的穩定性以及正常安全運營，必須對下方地鐵盾構隧道進行位移分析。由隧道Z方向的距離與位移關系，可以做出左線隧道和右線隧道在基坑開挖的影響作用下，隧道頂部的豎向位移曲線圖。相同于沿X、Y方向的位移圖，左、右線隧道的兩端所產生的位移量也極小，可以忽略不計，從80～150m區域范圍內，隧道的豎向位移開始顯著增大并達到峰值，150～200m區域范圍內，隧道頂部豎向位移由峰值回落至相對穩定的位移量。左右線隧道豎向位移最大值出現在左側隧道頂部，最大豎向位移為17.589mm。

結語：

（1）基坑底部有土體凸起現象發生，但沿X、Y、Z三個方向的最大變形均在合理范圍之內，符合安全、穩定的要求。（2）A基坑的第四根支撐與B基坑第一根支撐處出現最大剪應力，最大剪應力為0.028MN；A基坑的第二根支撐和B基坑的第三根支撐處出現最大軸應力，最大軸力值為3.21MN；A基坑的第四根支撐和B基坑的第一根支撐出現最大彎矩，最大彎矩值為0.143MN·m。（3）由于受到基坑施工的影響，地鐵盾構隧道沉降量、水平方向位移均小于20mm，滿足規定的要求。同時地鐵盾構隧道的管片（C50）滿足混凝土的抗拉、抗壓強度要求。

參考文獻：

[1]王桂平，劉國彬.考慮時空效應的軟土深基坑變形有限元分析[J].土木工程學報，2009，42（4）：114-118.

[2]鄭剛，魏少偉，徐舜華，等.基坑降水對坑底土體回彈影響的試驗研究[J].巖土工程學報，2009，31（5）：663-668.

[3]徐長節，成守澤，蔡袁強，等.非對稱開挖條件下基坑變形性狀分析[J].巖土力學，2014，35（7）：1929-1934.

作者簡介：

張吉華，中鐵十一局城市軌道工程有限公司。