近接施工对地铁隧道安全的影响研究*

2022-01-22张旭群隋耀华陈晓丹

施工技术(中英文) 2021年21期

张旭群，隋耀华，陈晓丹

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010)

0 引言

在城市改造与扩容进程中，市政项目涉及的基坑、桩基等近接施工与既有地铁隧道之间的相互影响是需考虑的焦点问题。由于地铁隧道对变形的要求严格，基坑开挖产生的应力释放不可避免地引起周围土体出现位移，导致近接地铁隧道产生附加应力和变形，可能对邻近的地铁隧道安全造成影响。因此，需评估近接施工的影响，并预测隧道附加变形量。考虑地铁结构严密性及安全性要求，在已建成的隧道中埋设监测设备存在一定困难，故数值模拟分析为研究此类课题的重要方法。张保存等[1]以天津西站南广场为例，模拟分析了基坑开挖对既有地铁的影响，结果表明基坑开挖引起的结构变形主要表现为水平位移，竖向位移可忽略不计。高强等[2]以西安南门外综合改造工程环城南路市政隧道上跨既有地铁2号线盾构隧道为依托，对市政隧道基坑开挖对下卧地铁盾构隧道的影响进行数值分析，并对隧道抗浮进行验算。薛彦琪等[3]以长沙市近接地铁1号线的大剧院项目为例，对深基坑开挖卸荷引起的地铁隧道变形进行研究。张兵兵等[4]以济南市近接地铁R3线的医养中心工程施工为例，进行了数值模拟分析，结果表明基坑开挖对隧道结构造成的影响在规范限值内。孙雅珍等[5]以杭州某近接地铁隧道基坑工程为例，对基坑近接施工造成的既有隧道及周围土体影响进行了研究。刘波等[6]以深圳地铁11号线、5号线隧道工程为例，研究了前海自贸区基坑开挖卸荷对隧道变形的影响。

城市立交桥建设中，需研究桩基对邻近运营隧道的影响，桩基施工对周围土体产生扰动，引起土体有效应力变化，从而改变周围土体应力水平和位移，引起隧道结构附加变形和附加应力变化。桩径、桩与隧间水平净距等均对既有地铁隧道安全产生影响。丁智等[7]、张伟等[8]和Schroeder等[9]均基于数值模拟和实际工程监测数据研究了桩基施工对既有隧道的影响。黄国超[10]通过开展有限元分析，研究了有无桩基对隧道稳定性的影响。吕宝伟[11]进一步研究了桩基施工对隧道内力及变形的影响。靳军伟等[12]研究了桩基挤土过程对近接既有地铁隧道变形与力学性能的影响。张诚等[13]对邻近地铁深基坑工程超深TRD工法进行了研究。

综上所述，目前关于基坑、桩基等近接施工对地铁隧道的影响研究多基于具体工程案例开展数值模拟分析，主要集中在隧道变形方面，但不同地区地质条件不同，地铁结构在近接施工条件下的响应不同，既有研究成果难以直接借鉴和参考，需对具体工程进行具体分析。本文结合近接广州地铁22号线某快速路工程为依托，对基坑及桩基施工对地铁隧道水平位移、竖向位移、结构内力的影响进行分析。

1 工程概况

近接广州地铁22号线某快速路工程位于广州南站商务区规划范围内，全长2.986km，规划红线宽度80m，主线为双向8车道，设计速度80km/h，辅道为双向6车道，设计速度40km/h。本工程涉及桥墩桩基、上部混凝土箱梁、辅道地基、燃气保护桥、新建电力隧道、雨水管施工等。

地铁隧道洞身主要位于粉质黏土、细砂岩、泥质粉砂岩强风化层中，考虑桩基施工及路基填筑时土体侧向卸载及顶部竖向加载可能产生隧道位移，隧道洞身所在位置岩土层物理力学特性对桩基施工产生的影响更敏感。

2 数值模拟分析

2.1 计算模型

根据拟建快速路与近接地铁隧道的空间关系，基于MIDAS GTS/NX岩土分析软件建立三维数值模型，如图1所示。模型长270m，宽170m，土层计算深度为80m。土体采用弹塑性本构模型模拟，具体参数如表1所示。22号线盾构隧道管片内径7 700mm，外径8 500mm，混凝土强度等级为C50，采用弹性本构模型模拟。

图1 三维数值模型

表1 土体物理力学参数

2.2 边界条件

模型底部约束z向位移，模型前、后面约束y向位移，模型左、右面约束x向位移。

2.3 荷载条件

荷载来源主要为岩土层自重、桩基自重、桥墩自重及现浇梁满堂支架荷载，一般地面按20kPa考虑，桩基超载按40kPa考虑，现浇梁满堂支架荷载按24kPa考虑。

在现状道路上施工，荷载压力扩散角取23°，地铁覆土厚度为9.5m，荷载单边扩散距离为4.03m，满堂支架荷载可影响的左、右线隧道荷载范围为46m×15.6m。荷载传至地铁顶部的面积为1 279.45m2，扩散至隧道顶部的应力为7.3kPa。对所有荷载应力扩散范围进行分析，可知隧道顶部受满堂支架荷载产生的附加应力为7.3kPa<20kPa，施工荷载满足要求。现浇梁支架施加在地面的附加荷载在地层扩散后使隧道结构产生的附加应力为13.46kPa<20kPa，施工荷载满足要求。

2.4 模拟工况

共模拟8种施工工况，工况1模拟初始地应力状态(考虑未开挖状态的岩土层应力)，工况2模拟地铁隧道施工，工况3模拟桩基、承台开挖，工况4模拟桩基、承台及桥墩灌注，工况5模拟顶管井、电力隧道井和圆管涵基坑开挖，工况6模拟基坑回填，工况7模拟高架段箱梁施工，工况8模拟路基填筑施工。

3 计算结果与分析

基坑、桩基等基础施工前，隧道在上部土体和周围土体的作用下处于相对平衡状态，受近接施工的影响，打破了隧道原有的应力平衡状态，隧道发生竖向和水平变形，应力重新分布。

3.1 隧道水平位移

工况3～8引起的隧道最大水平位移分别为0.15，0.22，0.57，0.63，0.70，0.72mm，满足有关规范要求，工况3，4引起的隧道最大水平位移较小。工况3主要为成桩过程中桩孔侧壁卸载引起的隧道水平位移；工况4主要为注浆压力引起的隧道水平位移；工况5主要为基坑开挖过程隧道上方卸载及顶管井侧壁卸载引起的隧道水平位移；工况6主要受基坑总回填量的影响；工况7主要为满堂支架荷载引起的隧道水平位移；工况8由于路基应力呈水平层状分布，路基填筑高度1.5～2.0m，随着填筑的进行，路基应力增大，引起隧道局部应力相应增大，进而引起隧道右线靠近道路交叉口位置发生0.72mm的水平位移。

3.2 隧道竖向位移

工况3～8引起的隧道最大竖向位移分别为0.97，-1.04，2.19，-3.01，-3.59，-3.81mm。工况3，5由于基础卸荷的影响引起坑底回弹，造成隧道隆起，竖向位移分别为0.97，2.19mm；其余工况均引起隧道沉降，路基填筑阶段引起的隧道沉降最大，出现在隧道右线靠近道路交叉口位置，为-3.81mm。应注意基坑回填和高架段箱梁施工引起的隧道沉降不容忽视。