浅基础条件下建筑荷载对隧道的影响分析

龙运超

(广东中山建筑设计院股份有限公司，广东中山 528400)

0 引言

城市轨道交通在疏解城市交通起到极其重要的作用，同时城市轨道交通也具有引导城市建设与发展的作用。在城市轨道交通线路中，地下盾构隧道占总线路的比重相当可观［1］。在地铁盾构隧道修建完成后，往往将迎来沿线建筑开发［2］。然而，浅基础建筑作为低楼层(约为1 层～6 层)建筑的主要基础形式，建筑荷载位于隧道上部，建筑荷载对隧道结构的影响远大于深基础［3-5］。

本论文旨在分析浅基础建筑荷载对隧道的影响，主要包括土层因素、隧道埋深、浅基础与隧道的水平距离及浅基础荷载的大小等对隧道的影响。论文成果为盾构隧道的设计及运营期盾构隧道的管控提供参考与借鉴。

1 计算方法简介

论文采用Midas GTS 有限元分析软件建立平面应变计算模型，模型横向尺寸可变，荷载加载宽度设定为10 m，深度方向50 m，计算模型示意图如图1 所示。土体采用摩尔库仑弹塑性屈服准则，隧道衬砌和荷载板采用平面应变实体单元模拟。

图1 计算模型示意图

为了研究浅基础建筑超载对盾构隧道变形的影响规律，将图1 中各影响因素计算工况考虑如下:

1)隧道所处土层。盾构隧道所处土层全线变化比较大，为了分析隧道所处土层对隧道的影响，考虑单一土层③1黏土层、④1粉土夹粉质黏土、⑤1粉质黏土和⑥1黏土层土的情况浅基础荷载对隧道变形的影响。各土层的力学性能参数如表1 所示。

表1 土体基本力学参数

2)隧道埋深。根据设计资料，各盾构区间隧道拱顶埋深h 在6 m～18 m 之间，隧道衬砌直径D 为6.2 m，计算中考虑隧道埋深h 为6 m，9 m，12 m，15 m，18 m，即埋深约为1D，1.5D，2D 和3D 的情况(D 为隧道外直径)。

3)建筑与隧道水平净距。根据调查，地铁线路周边浅基础建筑物与地铁隧道外边缘水平距离d(后面统称加载距离)多在0 m～20 m 之间，为得到地面加载对盾构隧道变形的影响范围，考虑加载距离d 为0 m，5 m，10 m，20 m，30 m 和40 m 共6 种情况。

4)建筑荷载。浅基础建筑一般为5 层以下，每层建筑荷载在10 kPa～15 kPa 之间，因此考虑浅基础建筑荷载为10 kPa，20 kPa，40 kPa，60 kPa 和80 kPa 共5 个荷载等级。

盾构隧道管片外径6.2 m、内径5.5 m，衬砌混凝土弹性模量按3.45×107MPa 考虑、密度按2 500 kg/m3考虑，衬砌按弹性均质圆筒考虑，其刚度有效率为0.65。隧道衬砌结构参数如表2所示。

选取隧道衬砌拱顶位置节点的水平位移和竖向位移来分析各影响因素对盾构隧道变形的影响;隧道水平位移靠近加载侧为正、远离加载侧为负;竖向位移向上(隆起)为正、向下(沉降)为负。

表2 盾构隧道结构参数

2 计算结果分析

2.1 土层对隧道结构的影响

在分析浅基础建筑加载作用下土层对盾构隧道变形的影响时，首先要固定其他的影响因素。设隧道埋深为9 m、加载距离为0 m、加载宽度为10 m、加载等级为60 kPa 时，不同土层情况下，隧道水平及竖向位移如图2，图3 所示。

由图2，图3 可见，土层对隧道水平及竖向位移的影响由大到小依次为⑤层、③层、⑥层和④层土;当土层由⑤层土变化到③层土时，隧道水平及竖向位移减小幅度在57%～63%之间;当土层由⑤层土变化到⑥层土时，隧道水平及竖向位移减小幅度在62%～70%之间;当土层由⑤层土变化到④层土时，隧道水平及竖向位移减小幅度在68%～77%之间。

图2 隧道水平相对位移随土层的变化

图3 隧道竖向相对位移随土层的变化

由以上分析可知，地面荷载作用下，当土层为④层和⑥层土时，减小浅基础荷载对隧道的影响较为有利。

2.2 隧道埋深对隧道结构的影响

分析隧道埋深对隧道结构的影响时，考虑模型中土层为⑥层土、加载宽度为10 m、浅基础荷载等级为60 kPa，不同埋深下隧道水平及竖向位移随加载距离的变化关系如图4，图5所示。

图4 不同埋深下隧道水平位移随加载距离的变化

图5 不同埋深下隧道竖向位移随加载距离的变化

由图4，图5 可以看出，相同加载距离情况下，随着埋深的增加，隧道竖向位移逐渐减小;在加载距离约5 m 内(0.5 倍加载宽度)，隧道水平位移随埋深的增加而减小，在加载距离约15 m 外(1.5 倍加载宽度)，水平位移随埋深的增加而增大，但此时位移量值已相对较小。将加载距离为0 m 时隧道水平及竖向位移随埋深的变化关系整理如图6 所示。

由图6 分析可知，浅基础建筑荷载作用下，隧道埋深6 m～18 m 范围内，埋深每增加6 m(1 倍隧道直径)，隧道变形减小约20%;说明浅基础建筑荷载对深埋隧道的影响相对较小，增加隧道埋深可以有效地减小浅基础荷载对隧道的影响。

2.3 水平距离对隧道结构的影响

由图4，图5 可以看出，隧道受到单侧浅基础建筑加载作用后，在水平方向上向着远离加载的一侧移动，在竖直方向上发生沉降。不同埋深等级情况下，隧道水平及竖向位移随加载距离的变化规律基本一致;随着加载距离的增加，水平位移先增大后减小，竖向位移逐渐减小。与竖向位移相比，隧道水平位移整体上相对较小，不同埋深下隧道最大水平位移约为竖向位移的23%～47%。当建筑与隧道的水平净距超过30 m 时，隧道的水平位移与竖向位移趋于收敛，且对于竖向位移可以控制在建筑正下方隧道竖向位移的20%以内。

图6 隧道水平及竖向位移随埋深的变化

2.4 荷载大小对隧道结构的影响

考虑模型中土层为⑥层土、隧道埋深为9 m、加载宽度为10 m、加载距离为0 m，隧道水平及竖向位移随建筑荷载变化关系如图7 所示。

图7 隧道水平及竖向位移随加载等级的变化

由图7 可以看出，随着地面荷载的增加，隧道水平及竖向位移均逐渐增大，且速率也呈现增大的趋势，其中竖向位移增大速率较水平位移要大。

3 结语

通过分析浅基础荷载作用下对隧道的影响时，分别对土层因素、隧道埋深、浅基础与隧道的水平距离及浅基础荷载的大小等对隧道的影响，主要得到以下结论:

1)土层因素分析表明，土层的压缩模量越大，浅基础荷载作用下对隧道的影响越小。

2)随着隧道埋深的增大或随着浅基础距离的增加，浅基础荷载作用下对隧道的影响均逐渐减小。对隧道的影响中，隧道顶部的竖向位移要大于水平位移。

3)随着地面荷载的增加，隧道水平及竖向位移均逐渐增大，且速率也呈现增大的趋势，其中竖向位移增大速率较水平位移要大。

［1］黄润秋，戚国庆.地铁隧道盾构法施工对环境的影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(S1):2464-2468.

［2］CJJ/T 202—2013，城市轨道交通结构安全保护技术规范［S］.

［3］李 淼.建筑物对盾构隧道施工引起地面沉降模式的影响［J］.工程勘察，2009(6):30-33.

［4］刘庭金.深基坑施工对地铁盾构隧道的影响分析［J］.现代隧道技术，2008(sup):216-220.

［5］刘小强，潘玲玲.基坑施工对盾构隧道变形的影响研究［J］.桥梁与隧道工程，2014(12):231-232.