小間距橋梁承臺(tái)施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響分析

謝春華

（深圳市前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)管理局，廣東 深圳 518054）

0 引言

新建結(jié)構(gòu)物在既有結(jié)構(gòu)物一定影響范圍內(nèi)進(jìn)行施工，對(duì)既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生一定不利影響的工程稱之為近接工程[1]。目前，國(guó)內(nèi)由于城市軌道交通日趨完善，地鐵隧道工程不可避免地會(huì)近接其他構(gòu)筑物施工，難免對(duì)既有構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響，針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。如：李光偉[2]運(yùn)用ABAQUS建立三維有限元模型，從鐵路橋樁基位移、傾斜及內(nèi)力的變化方面模擬盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)臨近橋梁的不利影響；賀美德、劉軍等[3]以北京地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道近距離側(cè)穿高層建筑為背景，采用有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)新建隧道施工所引起的鄰近高層建筑物的結(jié)構(gòu)沉降、基礎(chǔ)傾斜進(jìn)行深入研究。但少有新建橋梁近接既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道施工的工程與研究，如路飛、鄭剛[4]通過(guò)三維有限元數(shù)值模型模擬立交橋橋墩樁基的成孔施工、運(yùn)營(yíng)期樁基承擔(dān)荷載在土中產(chǎn)生的應(yīng)力擴(kuò)散對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)與軌道變形產(chǎn)生的影響，并分析了單個(gè)承臺(tái)樁基礎(chǔ)及考慮多個(gè)承臺(tái)樁基礎(chǔ)疊加效應(yīng)對(duì)鄰近既有隧道的影響規(guī)律。所以研究如何合理確定新建橋梁施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響具有十分重要的理論研究和現(xiàn)實(shí)意義。

鑒于此，本文以深圳前海合作區(qū)新建景觀橋梁上跨運(yùn)營(yíng)地鐵隧道為背景，通過(guò)M IDAS/GTS建立三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)既有地鐵隧道變形與受力進(jìn)行研究。

1 工程概況

該項(xiàng)目為前海合作區(qū)規(guī)劃中的10號(hào)景觀橋，橋位位于地鐵1、5和11號(hào)線保護(hù)范圍內(nèi)，目前三條地鐵線均處于運(yùn)營(yíng)中，5、11號(hào)線位于景觀橋的正下方，1號(hào)線位于該工程的東側(cè)。景觀橋和地鐵的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有隧道斷面圖及交叉段平面圖

1、5和11號(hào)線均已經(jīng)建成，均為雙線行車，采用盾構(gòu)施工，盾構(gòu)隧道采用圓形截面，結(jié)構(gòu)外徑為6 m。

1號(hào)線位于景觀橋東側(cè)，且樁基與1號(hào)線結(jié)構(gòu)邊緣最小凈距為 31.7 m；5號(hào)線與景觀橋工程范圍相交，隧道頂標(biāo)高為-6.38～-7.16 m，承臺(tái)基坑底部距離地鐵結(jié)構(gòu)外邊緣距離最小為4.625 m；11號(hào)線與景觀橋工程范圍相交，隧道頂標(biāo)高為-10.05～-11.94 m，承臺(tái)基坑底部距離地鐵結(jié)構(gòu)外邊緣距離最小為8.95 m。

該地段分布的地層主要有人工填土層、第四系海相沉積層、第四系沖洪積層及殘積層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖及加里東期混合巖。場(chǎng)地地下水主要為松散孔隙潛水和基巖風(fēng)化裂隙水，人工填土與地表水及大氣降水聯(lián)系緊密，地下水的補(bǔ)給條件好，但地下水離散性大，場(chǎng)地地下水相對(duì)較貧乏；基巖裂隙水水量較小，含水層通道呈網(wǎng)絡(luò)狀，具各向異性。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型的建立

隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布只在一定范圍內(nèi)進(jìn)行，因而計(jì)算范圍只要合理選取就能保證模擬的精確。經(jīng)過(guò)理論分析與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所得，隧道開(kāi)挖后引起的應(yīng)力和應(yīng)變改變范圍為3～5倍隧道開(kāi)挖直徑。因此計(jì)算邊界一般可確定為3～5倍開(kāi)挖隧道寬度[5]。綜合考慮隧道斷面大小、與承臺(tái)基坑間距等后，計(jì)算模型幾何尺寸分別定為185 m、170 m、45 m，如圖 2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

由于樁基與1號(hào)線結(jié)構(gòu)邊緣最小凈距為31.7m，相對(duì)凈距大于3D（D為盾構(gòu)直徑6 m），接近程度為不接近，故可忽略對(duì)1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)的影響分析。

2.2 模型參數(shù)的選取

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）[6]等相關(guān)文獻(xiàn)，模型參數(shù)取值見(jiàn)表1和表2。

2.3 考察點(diǎn)的選取

由于本文主要研究隧道上方承臺(tái)基坑的開(kāi)挖施工對(duì)下方地鐵隧道的影響，且該項(xiàng)目南北承臺(tái)基坑相距較遠(yuǎn)，相互影響較弱，所以本文以南側(cè)承臺(tái)基坑下方隧道結(jié)構(gòu)為考察點(diǎn)。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 施工模擬與分析工況

在整個(gè)10號(hào)景觀橋的建造施工以及投入使用的過(guò)程中，南北承臺(tái)基坑開(kāi)挖的施工對(duì)既有地鐵隧道的擾動(dòng)影響是明顯的，基坑開(kāi)挖施工順序的建立是模型分析的關(guān)鍵所在。

如圖3所示，該次分析工況先計(jì)算初始應(yīng)力，然后激活南側(cè)管片、樁基與鋼支撐，然后E1、F1、E2、F2 后 G1、G2、H 1、H 2 的開(kāi)挖施工，同理激活并開(kāi)挖北側(cè)，主要分為40個(gè)工況，即40個(gè)施工步。

圖3 橋梁承臺(tái)基坑分塊開(kāi)挖平面圖

2.5 地鐵保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

鑒于地鐵隧道運(yùn)營(yíng)安全的考慮，本文以南側(cè)承臺(tái)下隧道結(jié)構(gòu)位移、縱向變形曲線的曲率半徑與隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力研究分析對(duì)地鐵隧道的影響：

（1）結(jié)構(gòu)絕對(duì)隆起量、沉降量及水平位移量不大于10 m m（包括各種加載和卸載的最終位移量）。

（2）隧道縱向變形曲線的曲率半徑R≥30 000 m。

（3）由于建筑物垂直荷載（包括基礎(chǔ)地下室）及降水、注漿等施工因素而引起的隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力不大于 10 kPa（1t／m2）。

3 對(duì)既有地鐵隧道的影響分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)變形

施工過(guò)程中會(huì)引起既有隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起變形，必須要保持既有隧道結(jié)構(gòu)變形在控制范圍之內(nèi)。故在施工過(guò)程中既有隧道結(jié)構(gòu)最大變形的變化曲線如圖4所示。

圖4 南側(cè)承臺(tái)下既有地鐵隧道最大變形

由圖可知，承臺(tái)基坑的開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)以豎向位移為主的位移，且隨著南側(cè)承臺(tái)基坑的不斷開(kāi)挖與施工，X、Y和Z方向（X方向?yàn)榇怪彼淼垒S線方向，Y方向?yàn)樗淼垒S線方向，Z方向?yàn)樨Q直方向）的絕對(duì)最大位移值均逐漸增大，由于北側(cè)承臺(tái)距考察點(diǎn)間距較大，所以繼續(xù)開(kāi)挖北側(cè)承臺(tái)基坑，隧道各方向的最大位移值均不再增加，地鐵隧道的變形已達(dá)到最大值。其中，X方向位移最大值為1.44 m m，Y方向位移最大值為0.61 m m，Z方向位移最大值為5.76 m m。隧道各位移的量值小于城市軌道交通保護(hù)規(guī)范對(duì)位移的限值，地鐵隧道是安全的。

3.2 隧道縱向變形曲線的曲率半徑

隧道縱向變形曲線曲率半徑越小，則對(duì)隧道結(jié)構(gòu)越不利，因此根據(jù)分析可知，隧道縱向變形曲線曲率半徑最小值應(yīng)出現(xiàn)在隧道最大上浮位移值附近，故選取隧道縱向變形曲線最大上浮位移值附近一系列節(jié)點(diǎn)，以每三個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)為一組求其曲率半徑，取其最小值。曲率半徑公式如下：

式中：（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）分別為試樣上標(biāo)記的三點(diǎn)坐標(biāo)。

依據(jù)上式計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 曲率半徑計(jì)算表

隧道縱向變形曲線曲率半徑的最小值為31275m，其值大于地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30 000 m，滿足地鐵隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力

承臺(tái)基坑的開(kāi)挖施工會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，并且距基坑越近，隧道結(jié)構(gòu)所受影響越大，故選取南側(cè)承臺(tái)基坑下方隧道左右兩側(cè)與隧道頂部和底部土體分別觀測(cè)記錄隧道結(jié)構(gòu)X于Z方向附加應(yīng)力的變化，從而分析基坑開(kāi)挖作用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的影響。

3.3.1 隧道結(jié)構(gòu)X方向附加應(yīng)力的變化

基坑未開(kāi)挖前，11號(hào)線周圍特征點(diǎn)初始值分別為203.61 kPa、207.88 kPa，5號(hào)線周圍特征點(diǎn)初始值分別為148.44 kPa、145.24 kPa，如圖5所示；開(kāi)挖過(guò)程中，11號(hào)線周圍特征點(diǎn)應(yīng)力極值分別為202.5 kPa、206.64 kPa，5號(hào)線周圍特征點(diǎn)的極值分別為146.95 kPa、144.16 kPa，如圖6所示。

因此，11、5號(hào)線X方向附加應(yīng)力值分別為-1.11 kPa、-1.24 kPa和 -1.49 kPa、-1.08 kPa。

3.3.2 隧道結(jié)構(gòu)Z方向附加應(yīng)力的變化

圖5 基坑未施工前土體X方向應(yīng)力初始值（單位：kPa）

圖6 基坑開(kāi)挖過(guò)程中X方向應(yīng)力極值（單位：kPa）

基坑未開(kāi)挖前，11號(hào)線周圍特征點(diǎn)初始值分別為232.69 kPa、350.75 kPa，5號(hào)線周圍特征點(diǎn)初始值分別為149.62 kPa、281.18 kPa，如圖7所示；基坑開(kāi)挖過(guò)程中，11號(hào)線周圍特征點(diǎn)的極值分別為228.52 kPa、348.75 kPa，5號(hào)線周圍特征點(diǎn)的極值分別為145.27 kPa、279.83 kPa，如圖8所示。

圖7 基坑未施工前土體Z方向應(yīng)力初始值（單位：kPa）

圖8 基坑開(kāi)挖過(guò)程中Z方向應(yīng)力極值（單位：kPa）

因此，11、5號(hào)線Z方向附加應(yīng)力值分別為-4.17 kPa、-2.00 kPa和 -4.35 kPa、-1.35 kPa。

根據(jù)上述結(jié)果，隧道結(jié)構(gòu)X和Z方向附加應(yīng)力增量的極值分別為-1.49 kPa和-4.35 kPa，均小于0，表明承臺(tái)基坑開(kāi)挖不會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)附加荷載的增加，對(duì)結(jié)構(gòu)有利。

4 結(jié)語(yǔ)

該次分析利用大型有限元軟件M IDAS/GTS，根據(jù)地質(zhì)資料及上述基坑支護(hù)方案，建立了三維地層模型及三維基坑支護(hù)模型，對(duì)承臺(tái)基坑開(kāi)挖引起的既有隧道結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了計(jì)算，得到如下結(jié)論：

（1）隨著地鐵隧道上方承臺(tái)基坑的開(kāi)挖，隧道結(jié)構(gòu)變形逐漸增大，且與軸線垂直向位移（X方向）最大值為1.44 m m，軸向（Y方向）位移最大值為0.61 m m，豎向（Z方向）位移最大值為5.76 m m。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013），盾構(gòu)地鐵隧道各位移的量值小于城市軌道交通保護(hù)規(guī)范對(duì)位移的限值，在隧道結(jié)構(gòu)位移控制方面，采用上述地鐵保護(hù)方案是較為安全的。

（2）隧道縱向變形曲線曲率半徑、隧道相對(duì)變曲以及隧道管片X和Z方向特征點(diǎn)附加應(yīng)力增量均滿足地鐵隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于類似的文獻(xiàn)資料和工程實(shí)踐資料相對(duì)較少，模擬效果也有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，因此建立在工程實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)之上并且符合實(shí)際情況的計(jì)算模型是亟須解決的問(wèn)題，這樣模擬結(jié)果才能指導(dǎo)近接工程的設(shè)計(jì)與施工。