深基坑開挖對城際鐵路盾構隧道的安全性影響分析

趙法亮

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

隨著城市建設不斷發展，地鐵、城際鐵路路網越來越密集，同時隨著大量地下空間的開發利用，不可避免地出現許多臨近地鐵及城際區間隧道的基坑工程。張莎莎等[1]以地鐵周邊基坑工程為背景,通過數值模擬的方法對開挖過程中隧道的位移和膨脹變形進行研究。汪濤等[2]使用有限元分析軟件MIDAS/GTS研究了基坑開挖及支護過程中鄰近隧道的最危險截面位移。孫斌彬[3]分析了基坑支護體剛度、基坑與隧道間的距離對臨近隧道變形的影響。劉波等[4]分別從基坑開挖對既有隧道的影響機制、基坑開挖引起隧道變形的影響區、隧道受基坑開挖影響變形預測方法以及基坑開挖對隧道影響控制方法四個方面綜述當前最新研究成果,探討有待解決的主要問題以及未來重點研究方向。

1 工程概況

珠海華發廣場50#地塊基坑支護工程建設場地位于珠海市橫琴新區琴海東路東側，西側為琴海東路，下方有較多管線，地下室邊距路邊約20m，南側為聯澳路，地下室邊距路邊15m；東側地下室邊距用地紅線邊21m，用地紅線以東為40m寬綠化地，綠化以東為海；北側為空地。

珠海華發廣場50#地塊基坑近似于六邊形，基坑周長約425m，基坑面積約10225m2，基坑深度約12.05m。基坑工程場地標高3.8m，底板墊層底標高-6.75m，隧道邊至地下室邊線水平距離約9.22～9.31m，隧道拱頂與基坑底部豎向距離約14.45m。基坑工程所處地層主要是雜填土和淤泥，盾構隧道所處地層主要是淤泥質土。珠機城際鐵路與基坑近接區段為橫琴北站-橫琴站，對應的城際鐵路隧道里程為K10+920～K11+088，長度約為168m。該區段全部采用盾構法施工，管片外徑8.5m，內徑7.7m，隧道平均埋深約25m，隧道洞身范圍主要為淤泥質土(②4)和粘土(②3)。

圖1 基坑總平面圖圖

2 變形控制標準

隧道變形量與結構形式、連接方式等因素有關，其結構變形會產生軌道偏差從而影響線路的平順性，嚴重時將影響列車的安全運行，危及結構安全。

2.1 隧道結構變形控制標準

目前國內關于城際鐵路隧道變形控制標準無明確規定。《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)是目前最新的技術標準。規范中對城市軌道交通結構安全控制指標值作出了具體要求，可作為確定城際鐵路隧道的容許變量依據。除規范要求之外，還可參考國內其他一些城市的規定。

《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》中規定，在地鐵工程(外邊線)兩側的鄰近3m范圍內不能進行任何工程，地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤20mm(包括各種加載和卸載的最終位移量)。《杭州地鐵集團有限責任公司軌道交通保護區管理辦法》規定，對于運行期隧道，豎向沉降控制標準為10mm，水平位移控制標準為5mm。

珠機城際鐵路隧道結構變形控制指標的制定應依據其它類似工程經驗和現場監測數據，在綜合考慮預測變形值和結構容許變形值的基礎上考慮一定的安全系數，確定變形控制值，將控制值的 80%作為報警值，70%作為預警值。

表1 珠機城際鐵路隧道區間結構變形控制指標

2.2 軌道變形控制標準

軌道變形應符合《城際鐵路設計規范》(TB 10623—2014)10.2條中“正線無砟軌道靜態鋪設精度標準”及《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》(鐵運〔2012〕83號)，我國高速鐵路(200～250km/h)無砟軌道線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值有關規定。

根據以上規范及規則，珠機城際鐵路軌道變形控制指標如表2。

表2 珠機城際鐵路軌道變形控制指標

3 隧道結構及軌道安全性評價

3.1 分析方法

考慮到基坑施工引起的城際鐵路隧道變形與地層關系密切，采用地層-結構模型進行變形分析。本次計算采用Midas軟件，模擬基坑施工全過程對城際鐵路隧道結構的安全性影響，提供城際鐵路隧道及軌道的變形分析結果，評估城際鐵路隧道及軌道的安全性。

3.2 數值模型

根據工程經驗和理論分析，考慮到施工過程中的空間效應，計算模型取基坑工程與城際鐵路隧道的有效影響范圍，模型尺寸為350m×350m×80m(X×Y×Z)。重點考察城際鐵路隧道結構及軌道由于基坑施工產生的位移及受力情況。三維有限元計算模型如圖2所示，三維有限元計算模型中基坑與城際鐵路隧道的相對位置關系如圖3所示，三維有限元計算模型中混凝土支撐、立柱樁及格構柱情況如圖4所示。

圖2 三維有限元計算模型

3.3 施工工序

本次評估采用分層施工方式模擬，計算模型中的施工工序采用11步模擬，計算步與施工條件如表3所示。

3.4 隧道結構變形計算結果

基坑施工過程使得隧道及地表產生一定程度的附加位移，為節省篇幅僅給出步驟5、步驟6、步驟7實施后的位移云圖，如圖5所示。

右線隧道(臨近基坑側)結構在基坑施工過程中各施工階段沿X方向(水平)和Z方向(豎直)位移曲線，如圖6所示。

圖3 區間隧道與基坑相對位置關系

圖4 圈梁、混凝土支撐、立柱樁及格構柱

表3 計算模擬工序

圖5 隧道結構位移云圖

圖6 基坑施工各階段隧道結構位移最大值變化曲線

綜合上述結果，在基坑開挖過程中，城際鐵路隧道朝基坑所在位置方向發生位移，同時結構整體沉降。城際鐵路隧道結構發生的位移隨著基坑開挖深度加大而增加，在基坑開挖至坑底時隧道結構發生的總位移達到最大值4.641mm。在基坑施工過程中，城際鐵路隧道結構沿X方向(水平)和Z方向(豎直)的位移未超控制值(10mm)，可得珠機城際鐵路隧道結構處于安全狀態。

3.5 內力計算結果

根據計算，拆除第二道支撐和拆除第一道支撐施工階段隧道結構在Y方向的最大彎矩云圖，如圖7所示。

圖7 拆除支撐施工階段隧道襯砌彎矩

由計算結果可知，基坑拆撐過程中，隧道襯砌彎矩最大值為40.7kN·m。

由于管片剛度與管片接頭的剛度不同，土體卸荷引起的管片位移將產生管片環縫間的張開。管片接縫張開量由以下理論公式計算：

其中：kj為接頭彈性剛度；Ac為管段橫截面積；φ為中性軸位置的角度；ls為管段的長度；M為盾構隧道所受的最大彎矩值；Ec為管段材料彈性模量；Ic為管段的截面慣性矩；x為受彎中性軸的位置x=rsinφ。

表4 盾構隧道部分結構參數

根據公式kj=nEjA/l(n、A分別為縱向螺栓總數和單個螺栓的截面積)，計算單個螺栓的彈性剛度為6.92×106kN/m。由前述公式，可得最大管片接縫張開量為0.246×10-2mm<2mm(控制值)，故管片接縫張開量滿足規范要求。

3.6 軌道變形計算結果

由于右線隧道距離開挖基坑工程較近，需分析右線隧道內軌道的變形。右線隧道在拆除第二道內支撐和拆除第一道內支撐后的軌道變形結果見表5和表6。

表5 拆除第二道內支撐后軌道變形結果

表6 基坑第一道內支撐拆除后軌道變形結果

從表5可以看出，右線隧道內的軌道結構，第二道內支撐拆除后，X方向(水平方向)位移差值的最大值為0.4718mm，Z方向(豎直方向)位移差值的最大值為0.4298mm，左軌道和右軌道軌向差異位移最大值分別為0.2672mm、0.3132mm。

從表6可以看出，第一道內支撐拆除后，X方向(水平方向)位移差值的最大值為0.4716mm，Z方向(豎直方向)位移差值的最大值為0.4303mm，左軌道和右軌道軌向差異位移最大值分別為0.2658mm、0.3132mm。

上述計算結果均小于控制值(水平、高低5mm，軌向4mm)，不影響軌道的安全狀態。

4 結論

本研究采用Midas/GTS NX仿真平臺，建立包含華發廣場50#地塊基坑工程影響范圍內的城際鐵路隧道、華發廣場50#地塊基坑和地層等工程項目要素在內的三維有限元計算模型，對華發廣場50#地塊基坑工程的施工所引起的隧道力學特性及土層位移變形特性進行了分析，得到主要結論如下：

(1)在基坑施工過程中，城際鐵路隧道結構總位移最大值約為4.641mm，沿X方向(水平)和Z方向(豎直)的位移最大值分別為4.4638mm、2.5418mm，均小于10mm的控制值。

(2)城際鐵路右線隧道距離基坑近，受基坑開挖影響比左線要大，在三維數值計算結果中也得到了驗證，右線隧道是施工與監測控制的關鍵。

(3)隨著基坑開挖深度的增加，隧道襯砌結構的彎矩有增大的趨勢。基坑施工過程中，隧道彎矩最大值為40.7kN·m，最大彎矩值較小，最大管片接縫張開量為0.246×10-2mm，小于2mm的控制值。

(4)右線隧道內的軌道結構，在基坑內支撐拆除后，左、右軌道軌向差異位移均小于控制值(水平、高低5mm，軌向4mm)。

雖然華發廣場50#地塊基坑工程與運營中的珠機城際鐵路隧道水平距離較近，但豎直方向凈距大于盾構隧道的一倍洞徑，在實施恰當的基坑支護方案的前提下，基坑施工過程中，既有城際鐵路隧道結構、軌道結構變形在控制值內，不會對臨近珠機城際鐵路運營安全產生重大影響。