地鐵安全保護區(qū)內(nèi)地塊施工對隧道的影響分析

范 佳 俊

(無錫市軌道建設(shè)設(shè)計咨詢有限公司，江蘇 無錫 214023)

1 概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，多個城市開始大力修建地鐵。地鐵作為城市的交通大動脈，不可避免地會在其安全保護區(qū)范圍內(nèi)進行地塊施工，這些施工活動會引起鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力和變形，從而影響正常使用。目前，已有許多學者進行了相關(guān)研究。陳魯?shù)萚1]以具體工程項目為例，采用三維有限元方法，分析研究了基坑開挖對隧道的影響；韓偉等[2]建立有限元模型研究分析了基坑二次開挖和上部結(jié)構(gòu)對盾構(gòu)區(qū)間的影響；況龍川等[3]結(jié)合工程實踐，根據(jù)隧道檢測數(shù)據(jù)分析了影響隧道的主要因素。基于此，本文以無錫市鄰近地鐵3號線某地塊項目為例，采用三維有限元分析軟件Midas-NX，對其施工對既有地鐵區(qū)間隧道的影響進行分析。

2 工程概況

擬建地塊項目為一棟商業(yè)樓，地下設(shè)一層車庫，并對現(xiàn)有的售樓處進行部分拆除。地下室結(jié)構(gòu)邊線與地鐵3號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外邊線最小水平凈距為12.4 m，既有的售樓處為臨時建筑，因建筑用途的改變擬變更為商業(yè)樓，擬對現(xiàn)狀售樓處局部拆除，拆除后售樓處結(jié)構(gòu)邊線與地鐵3號線區(qū)間隧道最小水平凈距為10.96 m，平面布置見圖1。

該項目場地現(xiàn)狀標高+3.400 m～+3.800 m，基坑開挖深度約5.7 m～6.1 m，鄰近地鐵側(cè)局部集水井處基坑局部加深1 m，鄰近地鐵側(cè)圍護結(jié)構(gòu)采用φ850@1 200 mm三軸攪拌樁套打φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁，鉆孔樁樁長13.2 m，攪拌樁樁長17 m，進入⑥-1層黏土層2 m，基坑圍護結(jié)構(gòu)邊界與地鐵3號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距10.1 m，剖面關(guān)系如圖2所示。

本場地勘察深度范圍內(nèi)以淺地基土主要為第四系全新統(tǒng)～中更新統(tǒng)下段沉積地層，參考本項目地勘報告，基底主要位于②層黏土層及③層粉質(zhì)黏土層中。各土層物理力學性能參數(shù)如表1所示。基坑四周布置有封閉的三軸攪拌樁止水，樁體進入⑥層粉質(zhì)粘土層2 m，可形成封閉的止水帷幕，基坑開挖施工對周邊地下水位影響較小。

表1 土層物理力學性能指標

3 計算分析

3.1 有限元模型建立

結(jié)合項目場地及周邊環(huán)境條件，考慮消除邊界效應(yīng)的影響，計算模型X方向?qū)?85 m，Y方向184 m，Z方向40 m。有限元模型如圖3所示，模型中土層采用修正摩爾庫侖本構(gòu)模型。地面荷載均以20 kPa超載形式考慮，上部結(jié)構(gòu)按15 kPa每層考慮。模型參數(shù)如表2所示。

表2 模型參數(shù)表

本次計算按地塊項目后行施工，地鐵結(jié)構(gòu)先行施工考慮。模擬過程共分為7個計算步驟，分別為：初始工況、位移清零、售樓處拆除、圍護樁施工、基坑開挖到底、地下室結(jié)構(gòu)施工和上部結(jié)構(gòu)加載。

3.2 計算結(jié)果

采用Midas-NX有限元軟件進行三維分析計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 三維計算結(jié)果匯總表 mm

拆除既有售樓處為卸載影響，區(qū)間隧道最大豎向位移為0.7 mm，最大水平位移為0.255 mm；圍護樁施工導致區(qū)間隧道產(chǎn)生少量的沉降量，施工完成后隧道最大沉降量為-0.965 mm，最大水平位移為-0.492 mm；基坑開挖后導致局部地層產(chǎn)生卸載回彈，鄰近左線隧道受基坑開挖影響較大，最大上浮量達到2.062 mm，最大水平位移達到3.529 mm，隧道最大水平收斂為1.19 mm，隧道最小變形曲率半徑為170 198 m，軌道10 m差異沉降量為0.946 mm，滿足地鐵變形控制指標。結(jié)構(gòu)回筑后由于場地內(nèi)荷載的增加，地鐵結(jié)構(gòu)上浮狀態(tài)得到一定程度的改善，區(qū)間隧道上浮量為1.45 mm，最大水平位移為2.889 mm；上部商業(yè)樓施工后，區(qū)間隧道最終沉降量為1.111 mm，最大水平位移為1.197 mm，隧道最大水平收斂為0.89 mm，軌道10 m差異沉降量為0.857 mm，變形曲率半徑為177 483 m，滿足地鐵變形控制指標[5]。

從計算結(jié)果可知，區(qū)間隧道在整個施工周期內(nèi)產(chǎn)生的最大豎向位移為2.062 mm，最大水平位移為3.529 mm，經(jīng)復核隧道變形及軌道平順度可滿足地鐵結(jié)構(gòu)變形控制指標。

4 結(jié)論

基于三維有限元分析方法，本文分析了地鐵安全保護區(qū)內(nèi)地塊施工對鄰近地鐵隧道的影響。

1)地塊內(nèi)基坑開挖后導致局部地層產(chǎn)生卸載回彈，鄰近的線隧道受基坑開挖影響較大。大面積深基坑施工時，建議考慮分區(qū)施工。

2)地面結(jié)構(gòu)的加載致周邊地層產(chǎn)生一定的沉降量，對隧道10 m弦長不均勻沉降和曲率半徑影響較大。地鐵安全保護區(qū)內(nèi)高層結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)采取有效措施減少工后沉降。

3)根據(jù)計算結(jié)果，隧道變形及軌道平順度可滿足地鐵結(jié)構(gòu)變形要求。在工程實施前，利用三維有限元分析地鐵保護區(qū)內(nèi)實施項目對地鐵隧道的影響，對后期設(shè)計方案的調(diào)整具有指導意義。