新建建筑上跨施工對淺埋大斷面隧道結構的安全影響研究

壽敖宜

【摘要】隨著城市建設的快速發展，城市軌道交通系統網絡密布城市地下空間。為了提高城市軌道交通周邊土地的使用價值，在既有的地鐵周邊甚至地鐵正上方的工程建設也日益增加。地鐵上部基坑開挖時，隧道頂部土體卸載會引起既有地鐵隧道產生附加應力，該附加應力會使地鐵隧道產生相應的變形及內力變化。當既有隧道產生的變形及內力變化過大時，將影響地鐵結構的安全甚至影響地鐵運營的安全，一方面可以通過土體加固措施減小土體開挖對既有地鐵隧道的影響，另一方面可以優化施工工序及加強監測保證既有隧道的變形和內力變化在安全范圍之內。所以，為了保證既有地鐵隧道的結構安全，研究上跨地鐵的基坑施工對地鐵隧道結構安全的影響變得非常重要。

【關鍵詞】基坑施工;隧道結構;有限元分析

1引言

淺埋大斷面隧道上方新建建筑附加荷載通過圍巖傳遞至隧道結構，會增大隧道襯砌內力，影響隧道運營安全。囿于邊界條件、圍巖性質、荷載分布等眾多影響因素，附加荷載在淺埋大斷面隧道圍巖中的傳遞規律復雜，最終作用于襯砌結構的附加荷載難以確定，在此前提下，如何合理評估附加荷載對隧道結構的作用仍是工程實踐中的重要課題。

2上跨地鐵區間的基坑開挖土體加固方法

上跨既有隧道基坑開挖時，在土層較差或者基坑底距離隧道頂部間距較小時，往往需要對開挖區域及隧道周邊全部或者局部進行土體加固，常用方法包括①固化物灌入法：以石灰、水泥等化學材料灌入地層中，使地層與化學材料合成一體，增強土層強度;②加筋法：將大規模的高強度加筋材料（例如鋼筋混凝土、土工合成材料等）置于土層中，增強土層的承載能力;③置換法：為了達到減小沉降和增強承載力的效果，將地基中的強度較差的土體去掉，用力學性質較好的巖土材料替換;④排水固結法：因為土體排水固結后，可以減小土體間的空隙，提高土體強度，通過相關方法使土體達到排水固結的效果能達到土體加固的效果;⑤擠密、振密法：用擠密或振動的方法使土體密實，從而達到土體加固的效果。由于各個地區地層的差異，土體加固的方案也有差異。上海及周邊地區軟弱地層多為淤泥質土，埋藏較淺，下部為粉質粘土層，含水量相對較低，一般加固原則為：坑內淤泥質土采用抽條加固，主要起控制變形作用。廣州4號線南延段位于南沙區，軟弱土層較厚，軟土主要為海陸交互相沉積淤泥、淤泥質土一般加固原則為基坑深度內采用抽條+裙邊加固，加固深度一般為基底以下3～4m，主要起控制變形作用及方便開挖，底板下設置單排或多排工程樁的形式控制沉降。福州地區主要為淤泥、淤泥質粘土，例如地鐵1#線樹兜站淤泥層厚達15m，埋深3～18.7m，基底以上淤泥層較厚，局部深入基底以下1～3m，其上為雜填土、粘土，其下為粉質粘土層。采用加固方案為坑內采用雙軸攪拌樁加固。

3上跨地鐵的基坑施工對地鐵隧道結構安全影響有限元分析

文中以廣州地鐵六號線某地鐵區間隧道為研究對象，通過有限元分析，研究其上部基坑施工對隧道結構安全的影響。

3.1工程概況

地鐵區間上方基坑所處的地層情況依次為：雜填土層、中砂層、粉質粘土層、淤泥質粘土層、粉質粘層土層、全風化花崗巖層，地鐵隧道主要出于全風化花崗巖層。地鐵上方基坑與地鐵隧道的平面關系圖見圖1，剖面關系圖見圖2?；訃o樁樁底距離地鐵隧道拱頂垂直距離約1.3m?；臃秶譃锳、B、C0、C1、C2、C3、C4七個區域，開挖前，對C0、C1、C2、C3、C4（地鐵正上方基坑范圍）進行攪拌樁加固，C0區域不開挖。

3.2有限元分析模型

本次有限元三維分析選擇MIDAS-GTS計算軟件。有限元模型如圖3所示，基坑圍護結構與地鐵區間的位置關系如圖4所示。

3.3有限元分析參數

采用Mohr-Coulomb破壞準則模擬巖土體的材料特性基坑的圍護結構及隧道結構采用彈性材料進行有限元分析。

3.4有限元分析工況

本次分析針對地鐵隧道上方基坑施工的全過程進行數值模擬，共分23個工況即23個施工步驟，具體如表2所示。

3.5有限元分析結果

本次分析中在S0～S3進行位移清零，以S3的變形和內力值為基礎，通過分析后續施工步基坑開挖引起的位移（見圖5）、內力等的變化，根據該變化值來判斷基坑開挖對地鐵隧道的影響?；娱_挖過程中，地鐵隧道豎向變形變化情況詳見圖6，地鐵隧道最大彎矩變化情況詳見圖7。

根據圖5結果可知：隨著基坑的開挖，地鐵隧道發生了一定變形，主要表現為隧道隆起量較大，隧道沉降量較小，在施工過程中，地鐵隧道隆起量隨著開挖進行逐漸增大，施工完主體結構后，地鐵隧道隆起量會變小，最大隆起量發生施工步S5，最大隆起量達到了16.4mm，滿足規范要求。根據圖6結果可知：隨著基坑的開挖，地鐵隧道彎矩發生了一定變化。未施工主體結構前，地鐵隧道彎矩隨著開挖進行逐漸減小，施工完主體結構后，地鐵隧道彎矩會變增大，最大彎矩發生在B區主體結構施工后（S10），最大彎矩達到了222kN·m，與初始步驟（S3）的彎矩194kN·m相比，增大了14.4%，滿足結構安全。由以上結果可知，上跨地鐵區間的基坑施工過程中，由于地鐵隧道上方土體卸載作用，地鐵區間隧道產生較大的隆起變形和較大的內力變化，而采用土體加固和優化基坑開挖工序等方法可以將地鐵隧道的變形和內力變化控制在合理的范圍之內。

4結語

文中通過總結國內外上跨地鐵區間基坑開挖對地鐵隧道影響的研究成果，綜合各地區基坑開挖土體加固方法，以廣州地鐵6#線地鐵區間為研究對象，采用三維有限元分析方法，研究上跨地鐵的基坑施工對地鐵隧道結構安全影響，得出以下結論：（1）國內外上跨地鐵區間基坑開挖對地鐵隧道影響的研究主要有理論研究、數值分析、現場實測等方法。（2）土體加固的方法較多，實際工程中應該根據每個地區的土層特征選取合適的加固方式，從而減小基坑開挖對地鐵隧道的影響。（3）三維有限元分析可以較為準確地預測上跨地鐵區間的基坑施工過程中，地鐵隧道變形變化和內力變化趨勢，其結果表明：地鐵隧道上方土體卸載作用會引起地鐵區間隧道產生較大的隆起變形和較大的內力變化，而采用土體加固和優化基坑開挖工序等方法可以將地鐵隧道的變形和內力變化控制在合理的范圍之內。

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