某橋臺(tái)填土與樁基施工對(duì)地鐵線影響分析

徐立強(qiáng)，麥毅康，李亞如

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市100082）

0 引言

橋梁樁基、路基填土等施工會(huì)影響已運(yùn)行的地鐵隧道安全，為保證施工過(guò)程中地鐵隧道的安全，相應(yīng)的安全分析評(píng)估尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)樁基與隧道相互影響已經(jīng)有相關(guān)研究。例如李文琛、魏洋洋對(duì)樁基與鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的相互影響、保護(hù)等進(jìn)行了理論研究[1，2]，主要基于理論計(jì)算方法，如剪切位移法等，以及MIDAS/NX、HS本構(gòu)模型、FLAC軟件等軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。李文琛得出樁基成孔與混凝土澆筑施工對(duì)臨近地鐵盾構(gòu)隧道以豎向沉降為主；魏洋洋得出盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)周?chē)翆佑绊懸?guī)律，擬合出相關(guān)土體水平位移的經(jīng)驗(yàn)公式等結(jié)論。周曉夫、董必成等針對(duì)橋臺(tái)設(shè)置與橋臺(tái)填土等對(duì)隧道的影響進(jìn)行了相關(guān)研究[3，4]，采用FLAC3D有限差分軟件、GOODMAN單元、HSS模型進(jìn)行數(shù)值模擬。周曉夫得出豎向變形量對(duì)承臺(tái)與盾構(gòu)之間的豎向凈距非常敏感，橫向由于基坑開(kāi)挖均采用了支撐，影響不敏感；董必成得出填土引起的地鐵隧道附加荷載與變形均滿(mǎn)足地鐵盾構(gòu)隧道保護(hù)要求等結(jié)論。

本文以彩梅立交橋臺(tái)填土以及相應(yīng)樁基施工方案對(duì)現(xiàn)有地鐵運(yùn)營(yíng)線安全評(píng)估分析項(xiàng)目為依據(jù)，采用有限元軟件PLAXIS 3D進(jìn)行數(shù)值分析，分析施工工藝以及相應(yīng)步驟對(duì)隧道的影響，為類(lèi)似項(xiàng)目提供理論依據(jù)和參考。

1 工程概況

深圳市彩梅立交為市區(qū)與關(guān)外交通轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點(diǎn)。彩梅立交全線共新建主線橋1座，匝道橋5座，通道4座。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，彩梅立交K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺(tái)填土區(qū)域在地鐵10號(hào)線和聯(lián)絡(luò)線正上方。橋頭路基填土最大高2.53 m，長(zhǎng)8.8 m，寬27.45 m，其中所涉及的10號(hào)線隧道埋深約21.2 m，上下行隧道凈距5 m，路基填土中心與10號(hào)線間距，對(duì)于左線約20.05 m，右線約8.93 m，聯(lián)絡(luò)線約18.5 m，填土面中心與聯(lián)絡(luò)線隧道凈距約14.4 m。填土材料為人工填土，容重不大于20 kN/m3。

彩梅立交K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺(tái)樁基分別位于10號(hào)線、聯(lián)絡(luò)線隧道之間，其與10號(hào)線主線隧道最小凈間距1.60 m，與聯(lián)絡(luò)線最小凈間距4.25 m，如圖1所示。

圖1 K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺(tái)樁基與隧道位置關(guān)系圖（單位：cm）

彩梅立交K1+105（梅林關(guān)方向）鄰近地鐵10號(hào)線主線隧道采用礦山法施工，隧道寬6.2 m，高6.75 m，聯(lián)絡(luò)線采用礦山法施工，隧道寬6.86 m，高6.92 m。初期支護(hù)為C25混凝土，二襯為C35混凝土。

2 《深圳市地鐵集團(tuán)有限公司地鐵運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法》相關(guān)規(guī)定

2.1 地鐵運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)范圍劃分

本工程項(xiàng)目符合地鐵運(yùn)營(yíng)線路及周邊的特定范圍內(nèi)設(shè)置的保護(hù)區(qū)域。具體包括地下車(chē)站與隧道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)50 m范圍內(nèi)，地面、高架車(chē)站及區(qū)間結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)30 m范圍內(nèi)，出入口、通風(fēng)亭、變電站等建筑物、構(gòu)筑物外邊線外側(cè)10 m范圍內(nèi)。

2.2 地鐵建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)

地鐵線路交由深圳市地鐵集團(tuán)做前期預(yù)、工可研起，至工程建成施工單位向我司正式移交期間的地鐵建設(shè)線路及周邊的特定范圍內(nèi)設(shè)置的控制和保護(hù)區(qū)域，其區(qū)域范圍按照2.1執(zhí)行。本工程項(xiàng)目可根據(jù)2.2.1~2.2.2相關(guān)控制指標(biāo)執(zhí)行。

2.2.1 車(chē)站及隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)

車(chē)站及隧道的水平位移、豎向位移、徑向收斂、變形縫差異變形、隧道軸線變形曲率半徑、隧道變形相對(duì)變曲、車(chē)站及隧道結(jié)構(gòu)外壁附加荷載、車(chē)站及隧道振動(dòng)速度等指標(biāo)的控制值按照式（1）確定：

式中：ri為項(xiàng)目允許值；Ki為安全控制系數(shù)，Ki≤1，具體值由技術(shù)管理中心根據(jù)地鐵設(shè)施健康檔案、隧道形態(tài)、地鐵服役現(xiàn)況和評(píng)估報(bào)告確定；Ri為控制值（具體數(shù)值參見(jiàn)表1）。

表1 車(chē)站及隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

2.2.2 軌道安全控制指標(biāo)

運(yùn)營(yíng)線路軌道靜態(tài)尺寸容許變形值：軌道高低、軌向變形＜4 mm／10 m；兩軌道橫向高差＜4 mm；三角坑高低差<4 mm／18 m；扭曲變形＜4 mm／6.25 m；軌距+3 mm，-2 mm；道床脫空量≤5 mm。

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型建立參數(shù)選定

（1）材料模型及計(jì)算參數(shù)

本次模擬分析均采用線彈性體分析，不考慮材料及接觸非線性，對(duì)于彈性分析本文選用小應(yīng)變硬化土模型（HSS）模擬。結(jié)構(gòu)與土體連接采用Goodman單元，其中襯砌結(jié)構(gòu)、圍護(hù)樁采用板單元，根據(jù)地勘報(bào)告與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定土層計(jì)算參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表2 地層計(jì)算參數(shù)表

（2）結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

圖2為本工程的三維模型建立，本工程中地鐵隧道初襯襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，二襯鋼筋混凝土強(qiáng)度C35，結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)直接根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）確定。

圖2 有限元模型透視圖

3.2 有限元模型

邊界約束對(duì)模型影響較大，為保證邊界約束更接近實(shí)際受力情況，沿隧道縱橫向均考慮50 m外伸，另外模型平面尺寸選用200 m（長(zhǎng)）×100 m（寬）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料（深圳地鐵10號(hào)線），場(chǎng)地內(nèi)下臥風(fēng)化混合巖，對(duì)于微風(fēng)化壓縮性很小，模型中不予考慮，因此模型底取到微風(fēng)化頂，即高度取40 m。

3.3 模擬過(guò)程

有限元數(shù)值模擬所對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工步驟充分考慮實(shí)際施工工況及步驟（見(jiàn)表3）。

表3 有限元數(shù)值模擬步驟

4 計(jì)算結(jié)果分析

本計(jì)算結(jié)果重點(diǎn)對(duì)樁基成孔及臺(tái)后填土兩個(gè)施工階段進(jìn)行分析（為減小樁基施工對(duì)隧道影響，經(jīng)方案論證最終選用單排樁方案）。其中K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺(tái)填土與樁基施工對(duì)地鐵10號(hào)線及聯(lián)絡(luò)線影響模擬結(jié)果（如圖3、圖4所示）分別為樁基成孔施工完成時(shí)隧道豎向變形及水平變形云圖，由圖3、圖4可知，對(duì)于隧道最大水平向和豎向變形量：左線分別為0.018 mm及0.035 mm；右線分別為0.09 mm及0.079 mm；聯(lián)絡(luò)線分別為0.048 mm及0.064 mm。

圖3 樁基成孔施工完成時(shí)隧道豎向變形云圖

圖4樁基成孔施工完成時(shí)隧道水平位移云圖

圖5 、圖6分別為橋頭填土施工完成時(shí)隧道豎向變形及水平變形云圖，由圖5、圖6可知，對(duì)于隧道最大水平向和豎向變形量：左線分別為0.120 mm及0.140 mm；右線分別為0.161 mm及0.251 mm；聯(lián)絡(luò)線分別為0.162 mm及0.189 mm。

圖5 橋頭填土及橋梁結(jié)構(gòu)完成時(shí)隧道豎向變形云圖

圖6 橋頭填土施工完成時(shí)隧道水平變形云圖

綜上所述，對(duì)于樁基成孔及臺(tái)后填土等不同工況，隧道變形形態(tài)相近，豎向和水平向位移滿(mǎn)足《深圳市地鐵集團(tuán)有限公司地鐵運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法》對(duì)位移的要求。

5 結(jié) 論

（1）理論分析結(jié)果分析

通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬，K1+105（梅林關(guān)方向）橋臺(tái)填土引起的地鐵10號(hào)線隧道最大附加應(yīng)力為3.69 kPa，隧道水平位移與豎向變形均小于1 mm，隧道附加應(yīng)力與變形均滿(mǎn)足地鐵安?？刂埔?。在該區(qū)域橋臺(tái)填土與橋梁樁基礎(chǔ)正常施工條件下，地鐵10號(hào)線區(qū)間隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道均處于安全狀態(tài)。

（2）施工方案建議

由于有限元模擬無(wú)法精準(zhǔn)模擬其施工過(guò)程中的振動(dòng)及施工質(zhì)量偏差等因素，為保證施工安全提出如下建議。

a.在K1+105橋臺(tái)樁基施工過(guò)程中建議采用注漿減阻或深圳地區(qū)常見(jiàn)的“搓管樁”施工工法，同時(shí)需埋置二次注漿孔，出現(xiàn)承載力不足或者地面豎向變形較大時(shí)，及時(shí)補(bǔ)救；

b.K1+105臺(tái)后填土存在素填土、黏土等，為減少工后沉降，尤其為減少地鐵隧道頂部附加應(yīng)力影響，建議臺(tái)后盡量采用輕質(zhì)材料，且分層施工；

c.在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，尤其加強(qiáng)地鐵隧道頂部以及側(cè)壁的位移監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)位移偏大時(shí)及時(shí)停工，分析原因并處理后方可繼續(xù)施工。