河道改线对邻近既有地铁隧道影响的有限元分析

黄承泽

（广州轨道交通建设监理有限公司 广州510010）

0 引言

各种市政工程的施工，会对邻近既有地铁隧道周边土体结构造成一定程度上的扰动，从而影响邻近地铁隧道的受力状态［1］。虽然说邻近地铁盾构隧道沉降已趋于稳定，但是由于地铁盾构隧道是由钢筋混凝土管片拼成的，整体刚度较低，受周围土体影响较为敏感［2］。地铁作为城市人民群众重要的出行方式，社会影响极大，如果地铁隧道受力及变形状态变化较大，则极有可能引起隧道的坍塌，甚至危及人民群众的生命财产安全。

为提前判定河道改线工程施工对邻近既有地铁隧道的影响，使用有限元软件建立三维整体模型［3］，模拟某工程新河道的开挖、格宾石笼挡墙施工和旧河道回填等工况下对邻近既有地铁隧道的影响，在受复杂外力的情况下获取其准确的力学信息，同时反映出上述工况对地铁隧道的真实影响，以评估河道开挖方案的科学性。

1 工程概况

某工程建设的主要内容是某干流共9.6 km 河道整治，干流全长37.65 km，流域面积为101.26 km2，现状河宽13～41 m。按建湖后100 年一遇防洪标准进行整治，建设主要内容包括河道清淤、堤岸加固（重建）、防汛路建设、新建滚水堰、穿堤涵管、穿堤箱涵，整治后河道长度6.12 km。

新河道土方开挖（新河道设计底高程与现状旧河道底高程基本持平），格宾石笼挡墙砌筑（略深于设计河底高程1.12 m），新河道河堤填筑与边坡修整，格宾护垫施工，边坡覆土种植水生植物，水流改道，旧河道清淤（厚0.96 m 无抛石挤淤），旧河道回填，防汛路铺筑等（见图1）。

图1 河道改线平面Fig.1 Plan of River Diversion

根据工程勘察报告，项目场地地层自上而下分别是：〈1〉人工填土层，填土组成变化大，多属杂填土，由砖块、瓦片、碎石、混凝土块及粘性土等组成；〈3-2〉中粗砂层，主要为亚粘土、亚砂土夹中粗砂、粘土质砾砂；〈4N-2〉粉质粘土层，可塑，土样完整，强度低；〈5H-2〉砂质粘性土层；〈6H〉弱风化花岗岩，浅灰色，花岗结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯呈柱状，碎块状；〈7H〉强风化花岗岩。

其中隧道洞身主要位于〈4N-2〉粉质黏土、〈5H-1〉砂质黏性土、〈5H-2〉砂质黏性土和〈6H〉弱风化花岗岩，基底位于〈5H-2〉砂质黏性土和〈7H〉强风化花岗岩。

2 模型建立与分析

2.1 模型建立

在既有邻近地铁隧道附近进行包括河道开挖、废弃河道回填和堤岸建设等，河道开挖的土方卸载过程和河道回填与堤岸建设的土方加载过程已经成为影响地铁隧道安全的主要因素。当开挖新河道时，河道土方的开挖将产生地基土的卸载，易引起隧道向上隆起，产生竖向位移。相反的，在废弃河道回填与堤岸建设过程时，地基受回填土的逐级加载，易引起地基及地铁隧道的下沉，受填土区域分布范围的影响，也易引发地铁隧道的不均匀沉降。

为提前定量预判河道改线工程对既有地铁隧道的影响，本文使用Midas GTS-NX 有限元软件建立三维整体模型，模拟河道开挖、旧河道填筑及堤岸建设施工工况对地铁结构的不利影响，重点分析工程施工期间对地铁隧道结构变形的影响情况［4-6］。

根据地质勘察报告，结合现场实际情况，土体的本构模型（见图2）采用修正摩尔库伦模型，各土层参数如表1所示。

图2 整体模型Fig.2 Overall Model

表1 土体参数Tab.1 Soil Parameters

根据实际的施工情况，可把施工过程动态工况模拟如下：［工况1］初始应力状态，［工况2］2 条地铁隧道的开挖，［工况3］新河道的逐层开挖，［工况4］废弃河道逐层回填，［工况5］新河道河堤堤岸逐层建设。

2.2 有限元计算结果及分析

本模型分析了河道整治施工对隧道的水平位移、竖向位移的影响，由于篇幅有限，此处列举了新河道的逐层开挖、废弃河道逐层回填、新河道河堤堤岸逐层建设时最大水平位移、竖向位移图，其中水平位移以水平方向地铁隧道变形远离新河道方向为正，竖向位移以竖直方向地铁隧道变形向上为正。

⑴新河道逐层开挖时地铁隧道最大水平位移、竖向位移如图3所示；

⑵废弃河道逐层回填时地铁隧道最大水平位移、竖向位移如图4所示；

⑶新河道河堤堤岸逐层建设时地铁隧道最大水平位移、竖向位移如图5所示。

图3 新河道开挖时地铁隧道最大位移Fig.3 Maximum Displacement of Metro Tunnel during Excavation of the New River

图4 废弃河道回填时地铁隧道最大位移Fig.4 Maximum Displacement of Metro Tunnel during Backfill of Abandoned River Channel

图5 河堤堤岸建设时地铁隧道最大位移Fig.5 Maximum Displacement of Metro Tunnel during Construction of River Embankment

不同施工工况下地铁隧道最大位移统计如表2所示。

由计算结果可知，当新河道开挖时，隧道竖向位移在新河道开挖阶段缓慢增大，位移以隆起为主，此时新河道开挖处土体相当于一个卸载的过程，由于河道开挖处土体减少，土体结构受力变化较大，周围土体会产生挤压效应，导致地铁隧道周围土体会有向河道开挖处移动的趋势［7］，此时使地铁隧道位移表现为隆起，而在废弃河道填筑和堤岸建设阶段随施工的进行逐渐增加，由于上部荷载的增加，地铁隧道位移表现为沉降，沉降最大处位于旧河道与地铁隧道上部交汇处，达到-6.49 mm。

表2 不同施工工况下地铁隧道最大位移统计Tab.2 Statistics of Maximum Displacement of Subway Tunnel under Different Construction Conditions

同时，隧道水平位移主要为新河道的逐层开挖，新河道河堤堤岸逐层建设，最大达2.78 mm，由于旧河道基本处于地铁隧道的正上方，旧河道的回填类似于竖向的加载过程［8］，对地铁隧道横向变化影响不大，主要为竖向的位移。

3 结论

综上所述，根据地铁盾构隧道设计资料，结合拟建某工程整治工程设计、施工资料，模拟分析了河道开挖，废弃河道填筑及堤岸建设施工对地铁隧道结构的影响，得到了各工况下隧道结构的变形情况［9］。综合以上模拟分析结果判断可得，该河道改造工程施工对地铁隧道的结构形成一定影响，在严格按照设计要求进行施工的条件下，不危及地铁的结构安全，对影响地铁的后期运营较小［10］。根据分析和工程实践，本文主要结论包括：

⑴此河道整治工程施工对地铁隧道结构的主要不利影响为废弃河道填筑和堤岸建设过程产生的填土荷载，其竖向最大位移分别达到-5.52 mm、-6.49 mm。同时该工程的开挖卸载和回填堆载过程对既有邻近地铁盾构隧道的结构有一定影响，但其变形和位移量均在安全可控的范围内。因此，河道整治工程不会危及地铁的结构安全。

⑵受影响区域的地铁结构所在地层较为不利。隧道洞身含有大量砂层及花岗岩地层，受扰动时强度变化较大，浸水易软化崩解，对隧道结构的保护较为不利。

⑶受影响区域的地铁隧道埋深较浅。在进行废弃河道填筑时，隧道结构的竖向位移变化比较明显，此时要严格控制旧河道的回填速率，临近地铁侧土体密实度达到要求后再填筑下一层，新河道开挖时应注意临时边坡的稳定性，避免填筑或开挖过程的边坡失衡，以免对地铁隧道结构产生不良影响。

⑷鉴于岩土层计算参数取值的合理对预测分析地铁结构的变形和内力状态及评估地铁安全较为重要，可以结合后续的地铁结构位移监测结果和地下水位监测结果，在必要时对地层计算参数进行反演分析，以便进一步预测分析地铁结构变形及内力状态和发展趋势。