地下构筑物施工对近接既有地铁区间的影响及安全评价

2022-05-20王星WANGXing李明君LIMingjun

价值工程 2022年18期

王星 WANG Xing；李明君 LI Ming-jun

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

0 引言

随着经济和社会的发展，城市地下空间的开发利用越来越充分，地下综合管网等基础设施的修建日趋增多。但近年来城市地下轨道交通的快速发展，城市市政管网与既有地铁区间接近施工情况时有发生[1，2]。如何在保证不影响既有地铁结构的安全条件下，合理的开展新建工程建设显得尤为重要，若有不当，后果将不堪设想。台北市某处地铁附近开挖深基坑导致临线隧道管壁破坏，结果造成了巨大经济损失[4]。

因此，针对新建工程施工对近接地铁隧道结构的受力和变形影响进行研究具有很重要的工程实际意义[4]。本文以新建地下电力管廊近接某轨道交通盾构区间施工为工程案例，对近接施工的影响因素进行分析，并采用数值计算方法预测新建工程施工引起的地铁区间结构附加位移变形及内力变化，然后在此基础上评估对近接既有地铁结构的影响，提出相关保护建议，为后续工程提供一定借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 新建构筑物概况及近接位置关系

依托工程为济南地铁某盾构区间，该地铁区间隧道已经完成施工，电力管廊位于区间隧道右斜上方，隧道结构与基坑最小水平距离约4m，垂直距离约5.2m，斜向净距约7.86m。

新建地下电力管廊为双沟结构型式，净空尺寸2.3m*2.4m*2，位于新建道路北幅。电力管沟的垫层采用C15砼厚度10cm，底板、侧墙及顶板厚度均30cm，采用C30（P6）钢筋混凝土。沟槽基坑设计采用自然放坡开挖，管廊结构浇筑完成后进行覆土回填。新建电力管沟与既有区间隧道平剖位置关系如图1和图2所示。

图1 新建电力管沟与既有区间隧道平面位置图

图2 新建电力管沟与既有区间隧道剖面位置图

1.2 地质与水文条件

电力管廊开挖深度地层自上而下分别为：素填土、＜16-1＞粉质粘土，水位较低，基坑高度范围未见无地下水。

2 对既有区间隧道结构现状调查

既有地铁区间隧道结构埋深7～9m。隧道主要穿越中风化石灰岩、全风化泥灰岩、强风化泥灰岩、中风化石灰岩等。运营期间的抗浮水位标高为30.5m，位于底板以下，无需考虑抗浮水压。

既有隧道结构设计：采用圆形盾构管片，为预制钢筋砼结构，盾构管片分为6块（1封顶块+2邻接块+3标准块），管片环外径6.4m、内径5.8m、管片宽度1.2m、管片厚度0.3m，管片之间及管片环之间采用高强弯螺栓连接，管片混凝土强度等级采用C50，抗渗等级P10。

经现场查看，盾构管片观感良好，表面混凝土无明显蜂窝麻面现象，管片局部存在破损经修补后外观良好，无明显贯穿裂缝。雨季期间隧道局部有湿渍，存在渗漏水。

3 近接既有隧道影响分析及安全评价

3.1 近接施工影响机理及影响因素分析

近接既有隧道施工中，既有隧道开挖对原始地层应力场发生扰动，导致应力场重新分布并形成第一次应力平衡。随着新建地下构筑物的开挖，隧道周围地层应力场再次发生扰动，应力再次重新分布，演化过程与第一次扰动相似，最后应力场形成第二次新的平衡[3]。这种演化过程劣化了既有隧道结构及周边的围岩，可能会造成对区间隧道结构产生结构变形或破坏，进而影响既有隧道的安全和运营。

图3 既有盾构隧道结构

新建电力管廊施工对既有区间的影响因素主要有：新建基坑开挖破坏原有地层，新建结构自重荷载；对既有结构产生偏压差等。

主要表现在以下几个方面：

①上部基坑开挖及土体卸载。新建地下构筑物结构位于既有隧道的右上方，在上部基坑开挖施工时，引起基底及坑壁土体同时卸载，隧道周围应力重新分布，地层发生向上拉伸变形与位移。同时，因土体卸荷后，上部覆盖层埋深变小，可能会影响隧道周边的成拱作用，导致隧道衬砌上的荷载增大。

②建筑构筑物建成后的荷载影响。新建构筑物完成后，构筑物在隧道周边产生附加压应力，造成隧道衬砌的上覆荷载增大，且因新建物位于隧道侧上方，对隧道产生偏压力作用，对结构内力产生影响，衬砌发生挤压变形和位移。

3.2 对近接结构体的安全评估方法

目前，国内外学者对有关邻近地铁隧道施工的计算分析方法也展开了一些研究，主要有两类。

第一类是有限元数值模拟方法（FCFEM）。该方法的特点是在模拟新建构筑物施工的同时，将周围土体和地铁隧道看作一个整体进行分析，其中采用杀死单元技术来模拟基坑开挖，然后反向施加开挖边界节点力来模拟土体应力释放。FCFEM能够模拟隧道与土体间复杂的相互作用以及土体的弹塑行为[4-6]。该方法也是目前国内主要的分析手段，适用性强，应用广泛，能更好的模拟工程实际情况。通常利用大型商业化有限元软件进行计算，比如Ansys、Flac、Midas等。

第二类为两阶段分析方法。该方法的特点是首先计算新建工程施工所对近接既有隧道的引起的附加应力或土体变形，然后将附加应力或土体变形施加于隧道，再分析既有隧道的纵向变形和内力的变化。但是该中计算方法存在未考虑既有隧道的存在对附加应力影响的弊端，可作为一种简化计算。

3.3 近接施工影响分析

本次分析采用MIDAS-GTS岩土与隧道仿真分析软件进行三维数值模拟分析，旨在通过模拟更加真实的反映新建地下电力管廊构筑物施工对临近既有区间隧道结构内力及变形的影响。

①计算原则。

1）假定围岩各层都是各向同性连续介质，土体采用摩尔库仑本构模型；

2）假定地表和各土层均成层均质水平分布；

3）地层和材料应力应变均在弹塑性范围变化；

4）初始平衡按照将重力加速度加到模型上，由程序自动获得。

②计算模型。

计算模型长70m，宽70m，高度方向（z方向）取32.7m。岩土体为实体单元，采用摩尔-库仑本构模型，隧道管片及电力衬砌采用shell结构单元模拟，整体计算模型共生成20180个单元、11352个节点。整体模型的网格划分如图4所示。

图4 计算模型及近接空间位置关系示意图

③计算参数。

选取项目周边钻孔地质信息作为模型计算参数，各土层基本物理力学性质参数如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数表

④计算步骤。

岩土体的开挖是在前一计算步骤所得地应力分布的基础上进行的，是一个应力重分布及重新平衡的过程，数值计算时按实际开挖方法施加地层释放荷载，并求解开挖后的应力场变化。为了更好的反反映既有隧道及新建工程实际建设时序，先计算原始地应力场，模拟既有隧道建设，完成第一次初始地应力平衡后，并位移清零，作为新建工程的初始条件，然后按照新建电力管沟基坑开挖、结构施工、覆盖回填等工况模拟，分析二者的近接影响。

⑤位移及变形计算结果分析。

1）工况一：电力管沟基坑开挖

工况一完成后，基坑及隧道结构位移变形如下：

新建基坑开挖后引起基底隆起位移约20mm，如图5；下部隧道结构因基坑土体卸载后，右线拱肩位部位向外侧变形，水平变形为0.6mm，竖向变形为1.26mm，如图6及图7。