地鐵隧道盾構開挖對沿線既有建構筑物的影響分析

趙澤龍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司城地院，湖北武漢 430063)

0 引言

隨著我國城市化進程的快速推進，城市人口數量急劇增長，有限的城市地面空間已不能適應城市發展所需，城市交通由地上交通逐漸轉化為地下交通，城市軌道交通建設也因此進入快速發展時期。因城市建設時序的不同，地鐵區間盾構下穿既有建構筑物的情況難以避免。在地鐵區間結構施工過程中，盾構卸土會打破周圍土體的受力平衡狀態，使得隧道周圍的土體發生沉降和側向變形，這會直接導致鄰近既有建構筑物產生相應的水平和豎向位移，進而影響其正常使用。因此，如何保證在鄰近既有建構筑物安全使用的前提下，確保地鐵區間盾構順利下穿施工，對推動城市軌道交通的發展具有重要意義。

1 工程概況及建模方案

1.1 工程方案

本文基于合肥地鐵3 號線南延線工程青年路站—云谷路站區間下穿河道兩岸護堤樁項目展開研究。引江濟淮河道寬約60m，設計洪水水位10.972m，最高通航水位10.187m，設計輸出水位6.528m，穿越河道里程范圍為J18+291.3—J18+512.5，該區段河道沿江淮大道側設護堤樁，樁長11.9m，樁底標高-4.2m，樁與樁之間以頂部冠梁連接[1]。區間隧道采用盾構法施工，隧道外輪廓與北側護堤樁豎向凈距7.8m，南側護堤樁豎向凈距8.78m，如圖1 所示。

圖1 區間隧道下穿引江濟淮河道示意圖

1.2 模型假設及地層力學參數

第一，引江濟淮河道護堤樁已投入使用多年，故認為河堤的固結沉降及樁基礎的工后沉降早已完成。

第二，建模范圍內，認為各土層呈均質水平層狀分布，且同一土層為各向同性，隧道襯砌的變形與受力均在彈性范圍內。

第三，淺層地下水主要賦存于人工填土中，以上層滯水為主，水量微弱。基巖孔隙水主要賦存于殘積層和巖石全風化帶中。該場地無有效地下水，故有限元計算中忽略地下水的滲透、流動影響。

第四，不考慮盾構結束后土體的緩慢固結（工后沉降）和蠕變作用。

采用小應變土體硬化本構模型（HS-Small）對各土層進行模擬，土體計算參數如表1 所示。

表1 土體計算參數

1.3 有限元模型及分析步驟說明

現用三維數值模擬分析合肥地鐵3 號線南延線盾構施工對引江濟淮河道護堤樁的影響。此次數值模擬計算采用PLAXIS 3D 軟件進行計算，采用15 節點三角形單元進行劃分。合肥地鐵3 號線南延線與引江濟淮河道護堤樁之間的結構模型及網格剖分如圖2、圖3 所示。

圖2 有限元網格剖分

圖3 隱藏部分土體后的有限元網格剖分

模型計算步驟設計為：初始地應力平衡—激活既有樁基礎、冠梁與豎向荷載—初始位移清零，隧道開挖，先開挖左線后開挖右線。計算過程中模擬盾構機掘進和管片拼裝，以此充分模擬盾構掘進的施工過程。其施工模擬過程為：生成盾構機殼單元—開挖土體并施加掌子面壓力—向前推進盾構機并生成管片單元—繼續開挖土體并生成掌子面壓力—繼續推進盾構機并形成新的管片。不斷重復此步驟直至開挖完成[2]。

2 計算結果分析

2.1 土體變形分析

盾構施工誘發土體豎向沉降，如圖4 所示，左線與右線的中間正上方產生相對較大的豎向沉降，遠離中心軸的地方豎向沉降較小。

圖4 雙洞貫通時土體變形趨勢圖(放大600 倍)

2.2 盾構施工對鄰近護堤樁影響分析

計算表明，雙線對稱軸正上方1D(D 為隧道直徑)范圍的護堤樁的豎向沉降最大，其余位置的樁基礎豎向沉降相對較小，距離盾構中心線越遠豎向沉降越小。將盾構雙線對稱軸正上方的護堤樁編號為“0”，對北側各樁依次進行編號，如圖5 所示。由于北側樁底距隧道頂的距離較小，故北側的樁基礎變形應該比南側護堤樁大[3]。

圖5 北側護堤樁的編號

左線貫通、右線貫通時河堤土體橫斷面豎向沉降曲線如圖6 所示：左線貫通時，左線中心軸正上方土體的豎向沉降最大，達到-3.24mm；右線貫通后，雙線對稱軸正上方土體的豎向沉降最大，達到-6.27mm。

圖6 盾構誘發引江濟淮河堤土體橫斷面的豎向沉降

合肥地鐵3 號線南延線盾構施工對引江濟淮河道北側護堤樁的位移影響如表2、表3 所示：盾構使北側護堤樁產生的豎向沉降最大值為-6.47mm，最大差異沉降率為0.233‰。同樣可以得出南側護堤樁的變形數據，如下：盾構使南側護堤樁產生的豎向沉降最大值為-5.03mm，最大差異沉降率為0.206‰。鑒于南側護堤樁的位移小于北側護堤樁，故未列出南側護堤樁的詳細數據。

表2 盾構施工誘發引江濟淮河道北側護堤樁的沉降匯總表

表3 雙線貫通時引江濟淮河道北側護堤樁的沉降匯總表

計算表明，北側護堤樁在左線貫通、雙線貫通時的最大側向位移分別為0.78mm、1.173mm，南側護堤樁在左線貫通、雙線貫通時的最大側向位移分別為1.26mm、1.86mm，位置位于雙線對稱軸正上方附近。由于北側護堤樁的豎向沉降比南側護堤樁的豎向沉降大，故其側向位移比南側護堤樁略小。從總體上看，南、北側護堤樁的側向位移值均較小。

3 結論

從計算模擬結果可見，區間隧道施工對評估范圍內建構筑物（引江濟淮河道兩岸護堤樁）造成的沉降變化影響不大，具體表現為：

第一，護堤樁坡頂最大沉降值為-6.47mm。

第二，護堤樁坡頂最大水平位移值為1.86mm。

綜上所述，本文基于合肥地鐵3 號線南延線工程，針對地鐵隧道盾構開挖對沿線既有建構筑物的影響分析，能夠為類似的區間下穿工程提供有效分析手段和重要依據。