淺基礎(chǔ)條件下建筑荷載對隧道的影響分析

龍運(yùn)超

(廣東中山建筑設(shè)計院股份有限公司，廣東中山 528400)

0 引言

城市軌道交通在疏解城市交通起到極其重要的作用，同時城市軌道交通也具有引導(dǎo)城市建設(shè)與發(fā)展的作用。在城市軌道交通線路中，地下盾構(gòu)隧道占總線路的比重相當(dāng)可觀［1］。在地鐵盾構(gòu)隧道修建完成后，往往將迎來沿線建筑開發(fā)［2］。然而，淺基礎(chǔ)建筑作為低樓層(約為1 層～6 層)建筑的主要基礎(chǔ)形式，建筑荷載位于隧道上部，建筑荷載對隧道結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)大于深基礎(chǔ)［3-5］。

本論文旨在分析淺基礎(chǔ)建筑荷載對隧道的影響，主要包括土層因素、隧道埋深、淺基礎(chǔ)與隧道的水平距離及淺基礎(chǔ)荷載的大小等對隧道的影響。論文成果為盾構(gòu)隧道的設(shè)計及運(yùn)營期盾構(gòu)隧道的管控提供參考與借鑒。

1 計算方法簡介

論文采用Midas GTS 有限元分析軟件建立平面應(yīng)變計算模型，模型橫向尺寸可變，荷載加載寬度設(shè)定為10 m，深度方向50 m，計算模型示意圖如圖1 所示。土體采用摩爾庫侖彈塑性屈服準(zhǔn)則，隧道襯砌和荷載板采用平面應(yīng)變實體單元模擬。

圖1 計算模型示意圖

為了研究淺基礎(chǔ)建筑超載對盾構(gòu)隧道變形的影響規(guī)律，將圖1 中各影響因素計算工況考慮如下:

1)隧道所處土層。盾構(gòu)隧道所處土層全線變化比較大，為了分析隧道所處土層對隧道的影響，考慮單一土層③1黏土層、④1粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤1粉質(zhì)黏土和⑥1黏土層土的情況淺基礎(chǔ)荷載對隧道變形的影響。各土層的力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。

表1 土體基本力學(xué)參數(shù)

2)隧道埋深。根據(jù)設(shè)計資料，各盾構(gòu)區(qū)間隧道拱頂埋深h 在6 m～18 m 之間，隧道襯砌直徑D 為6.2 m，計算中考慮隧道埋深h 為6 m，9 m，12 m，15 m，18 m，即埋深約為1D，1.5D，2D 和3D 的情況(D 為隧道外直徑)。

3)建筑與隧道水平凈距。根據(jù)調(diào)查，地鐵線路周邊淺基礎(chǔ)建筑物與地鐵隧道外邊緣水平距離d(后面統(tǒng)稱加載距離)多在0 m～20 m 之間，為得到地面加載對盾構(gòu)隧道變形的影響范圍，考慮加載距離d 為0 m，5 m，10 m，20 m，30 m 和40 m 共6 種情況。

4)建筑荷載。淺基礎(chǔ)建筑一般為5 層以下，每層建筑荷載在10 kPa～15 kPa 之間，因此考慮淺基礎(chǔ)建筑荷載為10 kPa，20 kPa，40 kPa，60 kPa 和80 kPa 共5 個荷載等級。

盾構(gòu)隧道管片外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m，襯砌混凝土彈性模量按3.45×107MPa 考慮、密度按2 500 kg/m3考慮，襯砌按彈性均質(zhì)圓筒考慮，其剛度有效率為0.65。隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

選取隧道襯砌拱頂位置節(jié)點(diǎn)的水平位移和豎向位移來分析各影響因素對盾構(gòu)隧道變形的影響;隧道水平位移靠近加載側(cè)為正、遠(yuǎn)離加載側(cè)為負(fù);豎向位移向上(隆起)為正、向下(沉降)為負(fù)。

表2 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 土層對隧道結(jié)構(gòu)的影響

在分析淺基礎(chǔ)建筑加載作用下土層對盾構(gòu)隧道變形的影響時，首先要固定其他的影響因素。設(shè)隧道埋深為9 m、加載距離為0 m、加載寬度為10 m、加載等級為60 kPa 時，不同土層情況下，隧道水平及豎向位移如圖2，圖3 所示。

由圖2，圖3 可見，土層對隧道水平及豎向位移的影響由大到小依次為⑤層、③層、⑥層和④層土;當(dāng)土層由⑤層土變化到③層土?xí)r，隧道水平及豎向位移減小幅度在57%～63%之間;當(dāng)土層由⑤層土變化到⑥層土?xí)r，隧道水平及豎向位移減小幅度在62%～70%之間;當(dāng)土層由⑤層土變化到④層土?xí)r，隧道水平及豎向位移減小幅度在68%～77%之間。

圖2 隧道水平相對位移隨土層的變化

圖3 隧道豎向相對位移隨土層的變化

由以上分析可知，地面荷載作用下，當(dāng)土層為④層和⑥層土?xí)r，減小淺基礎(chǔ)荷載對隧道的影響較為有利。

2.2 隧道埋深對隧道結(jié)構(gòu)的影響

分析隧道埋深對隧道結(jié)構(gòu)的影響時，考慮模型中土層為⑥層土、加載寬度為10 m、淺基礎(chǔ)荷載等級為60 kPa，不同埋深下隧道水平及豎向位移隨加載距離的變化關(guān)系如圖4，圖5所示。

圖4 不同埋深下隧道水平位移隨加載距離的變化

圖5 不同埋深下隧道豎向位移隨加載距離的變化

由圖4，圖5 可以看出，相同加載距離情況下，隨著埋深的增加，隧道豎向位移逐漸減小;在加載距離約5 m 內(nèi)(0.5 倍加載寬度)，隧道水平位移隨埋深的增加而減小，在加載距離約15 m 外(1.5 倍加載寬度)，水平位移隨埋深的增加而增大，但此時位移量值已相對較小。將加載距離為0 m 時隧道水平及豎向位移隨埋深的變化關(guān)系整理如圖6 所示。

由圖6 分析可知，淺基礎(chǔ)建筑荷載作用下，隧道埋深6 m～18 m 范圍內(nèi)，埋深每增加6 m(1 倍隧道直徑)，隧道變形減小約20%;說明淺基礎(chǔ)建筑荷載對深埋隧道的影響相對較小，增加隧道埋深可以有效地減小淺基礎(chǔ)荷載對隧道的影響。

2.3 水平距離對隧道結(jié)構(gòu)的影響

由圖4，圖5 可以看出，隧道受到單側(cè)淺基礎(chǔ)建筑加載作用后，在水平方向上向著遠(yuǎn)離加載的一側(cè)移動，在豎直方向上發(fā)生沉降。不同埋深等級情況下，隧道水平及豎向位移隨加載距離的變化規(guī)律基本一致;隨著加載距離的增加，水平位移先增大后減小，豎向位移逐漸減小。與豎向位移相比，隧道水平位移整體上相對較小，不同埋深下隧道最大水平位移約為豎向位移的23%～47%。當(dāng)建筑與隧道的水平凈距超過30 m 時，隧道的水平位移與豎向位移趨于收斂，且對于豎向位移可以控制在建筑正下方隧道豎向位移的20%以內(nèi)。

圖6 隧道水平及豎向位移隨埋深的變化

2.4 荷載大小對隧道結(jié)構(gòu)的影響

考慮模型中土層為⑥層土、隧道埋深為9 m、加載寬度為10 m、加載距離為0 m，隧道水平及豎向位移隨建筑荷載變化關(guān)系如圖7 所示。

圖7 隧道水平及豎向位移隨加載等級的變化

由圖7 可以看出，隨著地面荷載的增加，隧道水平及豎向位移均逐漸增大，且速率也呈現(xiàn)增大的趨勢，其中豎向位移增大速率較水平位移要大。

3 結(jié)語

通過分析淺基礎(chǔ)荷載作用下對隧道的影響時，分別對土層因素、隧道埋深、淺基礎(chǔ)與隧道的水平距離及淺基礎(chǔ)荷載的大小等對隧道的影響，主要得到以下結(jié)論:

1)土層因素分析表明，土層的壓縮模量越大，淺基礎(chǔ)荷載作用下對隧道的影響越小。

2)隨著隧道埋深的增大或隨著淺基礎(chǔ)距離的增加，淺基礎(chǔ)荷載作用下對隧道的影響均逐漸減小。對隧道的影響中，隧道頂部的豎向位移要大于水平位移。

3)隨著地面荷載的增加，隧道水平及豎向位移均逐漸增大，且速率也呈現(xiàn)增大的趨勢，其中豎向位移增大速率較水平位移要大。

［1］黃潤秋，戚國慶.地鐵隧道盾構(gòu)法施工對環(huán)境的影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(S1):2464-2468.

［2］CJJ/T 202—2013，城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］李 淼.建筑物對盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降模式的影響［J］.工程勘察，2009(6):30-33.

［4］劉庭金.深基坑施工對地鐵盾構(gòu)隧道的影響分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008(sup):216-220.

［5］劉小強(qiáng)，潘玲玲.基坑施工對盾構(gòu)隧道變形的影響研究［J］.橋梁與隧道工程，2014(12):231-232.