地铁盾构下穿公路隧道与建筑物基础的影响研究

赵强政

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

近年来，随着我国城市化进程的加快，我国的大中城市越来越多，各城市都在竭力打造立体的现代化交通体系，城区范围内市政公路隧道和地铁隧道成为重要的选择并呈蓬勃发展之势。然而，城区范围内地下各类管网密布、地面沿线商业发达，多为建筑物密集的繁华地区，人流量大、交通繁忙，区间隧道施工环境十分复杂，常常面临近距离穿越既有隧道和管线、铁路站线、建筑物基础和桥墩基础等不利情况［1］。

在盾构施工过程中，不可避免地会对上覆土体产生扰动。盾构施工引起土体变形进而造成对既有建筑物的影响己成为现今研究的热点，国内外许多学者对此类问题开展了许多卓有成效的研究，如李东海［2］等采用现场实测的方法探讨了盾构隧道斜交下穿既有地铁车站的相互影响。徐干成［3］等建立了三维有限差分模型，研究了地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响。李永利［4］等采用三维有限元方法探讨了地铁盾构隧道下穿重力式墩桥施工措施及其相互影响。

然而，在复杂而拥挤的城市环境中地铁盾构区间隧道往往同时近距离下穿既有隧道及邻近高层建筑基础等多种建筑物，相关案例及研究不多。鉴于此，本文以某城市地铁盾构隧道下穿既有城市公路隧道、高层建筑箱型基础的案例为研究对象，采用三维数值分析法研究了地铁盾构隧道近距离下穿既有公路隧道以及建筑基础引起的地层移动规律，以及三者之间的相互影响，可为今后类似工程的设计施工提供参考。

1 计算模型的建立

1.1 计算模型的选择

计算采用三维有限元软件ANSYS进行，模型总体图见图1。从图中可见，既有公路隧道位于杂填土层中，新建地铁盾构隧道位于中密卵石土完全风化层。新建隧道管片衬砌的外径为6m，内径为5.4m，管片厚300mm，管片幅宽为1.5m。模型中，地层、既有公路隧道围护桩、建筑物箱型基础均采用solid45实体单元来模拟，盾构管片采用shell43壳单元来模拟，并考虑管片结构的横观各向同性性质以及盾构机和管片的相互作用［5］。衬砌管片厚0.3m，注浆层厚0.15m，隧道埋深10m，两隧道中心之间的水平距离为5m。计算时按自重应力场考虑，地面建筑竖向荷载按每层12kN／m2计算。

图1 计算模型总体图

1.2 土层和材料参数

计算模型中共采用10种不同的材料分别模拟地层、红星路下穿隧道围护桩、工商银行箱型基础、衬砌管片和注浆层。模型选取管片材料参数及隧道所穿越地层的物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数指标

在计算完初始地应力后即进行盾构隧道开挖，盾构机每步开挖3m便立即施作衬砌和壁后注浆，先开挖左线隧道，然后再开挖右线隧道。

2 计算结果分析

2.1 地层隆沉分析

地层的沉降云图见图2。由图可见，由于隧道近距较小，2条隧道开挖后沉降槽产生了交叠。当左线隧道开挖后，地表的最大沉降发生在左线隧道正上方，最大沉降值约为10mm。右线隧道开挖后，左、右线隧道上方的地表沉降量均有所增加，地表的最大沉降值接近15mm。地表最大沉降值较小，满足地表沉降规定的范围（一般城市地表沉隆基准为＋10～－30mm）。

图2 地层沉降云图 （单位：m）

2.2 公路隧道及围护桩的影响分析

左线地铁盾构隧道将从既有公路隧道下方右侧围护桩下破桩通过，势必将引起既有公路隧道以及围护桩的附加位移和应力，见图3。

图3 公路隧道围护桩位移云图 （单位：m）

由图3可见，当左线隧道从公路隧道右下侧穿过，右侧围护桩发生的下沉情况比左侧围护桩严重，右侧围护桩最大下沉量为15.32mm，左侧围护桩最大下沉量为2.13mm。且当左线隧道贯通后，围护桩的沉降已经基本稳定，右线开挖后对围护桩沉降影响很小。由围护桩的侧向位移可以看出，右侧围护桩因为在左线隧道正上方基本未发生侧向位移，而左侧围护桩发生了倾斜，但侧倾变位量值并不大。

从左线隧道贯通到右线隧道贯通，围护桩最大拉应力变量为0.34MPa，最大拉应力出现在左右两侧桩的顶部。而从左线隧道贯通到右线隧道贯通，围护桩最大压应力变量为0.1MPa。双线隧道贯通后，围护桩上的最大压应力为13MPa，且主要发生在左侧围护桩上，其应力云图见图4。

图4 围护桩应力云图 （单位：Pa）

从公路隧道的变形来看，由于左线隧道从其右下侧穿过，公路隧道的路面及侧壁均发生了不均匀沉降，出现向右倾斜情况。公路隧道路面最大沉降值为15mm，倾斜率为0.108%，其沉降位移云图见图5。

图5 公路隧道位移云图 （单位：m）

由公路隧道的应力来看，从左线隧道贯通到右线隧道贯通，下穿隧道最大拉应力变量为0.91 MPa。而从左线隧道贯通到右线隧道贯通，下穿隧道最大压应力变量为1.01MPa。双线隧道贯通后，下穿隧道的最大压应力为9.39MPa，主要发生在道路右侧没有围护桩的部分，见图6。

图6 公路隧道应力云图 （单位：Pa）

2.3 邻近施工对建筑物基础的影响分析

由于所建地铁盾构隧道邻近建筑物施工，对建筑物也产生了扰动，造成其基础发生变形。其中，箱型基础的沉降云图见图7。由于箱型基础在右线隧道右侧且距离较近，盾构隧道开挖后建筑物发生左倾趋势。隧道双线贯通后，箱型基础最大沉降值为7.51mm。

图7 箱型基础沉降云图 （单位：m）

盾构掘进过程中有可能基础产生过大的拉应力或压应力，从而使基础开裂影响承载力。从左线隧道贯通到右线隧道贯通，箱型基础最大拉应力变量为0.11MPa，变化很小。而从左线隧道贯通到右线隧道贯通，箱型基础最大压应力增量为0.02MPa，变化很小。双线隧道贯通后，箱型基础上的最大压应力为2.55MPa，其应力云图见图8。

图8 箱型基础应力云图 （单位：Pa）

3 结语

（1）新建地铁盾构隧道下穿既有公路隧道时，地层的反复扰动将引起地表沉降的叠加，进而引起公路隧道路面发生下沉与轻微倾斜。由于设置了围护桩，一定程度上减缓了开挖的影响。

（2）隧道下穿施工将使公路隧道右下侧的被破围护桩发生明显的沉降、侧移以及应力变化，其最大拉应力主要发生在右侧被破围护桩顶部，最大压应力发生在左侧围护桩处，施工时应进行重点监控，并根据实际情况调整施工参数，如果有需要可以进行桩基加固以确保安全。

（3）新建地铁盾构隧道近接施工将造成既有建筑箱型基础产生沉降与倾斜，并有可能使基础产生过大的拉应力或压应力从而使基础开裂影响承载力。而围护桩的设置在一定程度上减缓了开挖对建筑物基础的影响，使建筑物基础沉降、倾斜变位以及拉、压应力等都处于可控范围内。

［1］ 刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京：中国铁道出版社，1991.

［2］ 李东海，刘 军，萧 岩，等.盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（S1）：3186－3192.

［3］ 徐干成，李成学，王后裕，等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析［J］.岩土力学，2009，30（S2）：269－272.

［4］ 李永利，赵旭伟，周冠南，等.地铁盾构隧道下穿重力式墩桥施工措施及影响分析［J］.施工技术，2010（8）：83－86，100.

［5］ 何 川，苏宗贤，曾东洋.地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响［J］.土木工程学报，2008，41（3）：91－98.