上覆土層開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道的影響分析與研究

王亞南，鄧國(guó)華，于文龍

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510010；2.西安黃土地下工程技術(shù)咨詢(xún)有限公司， 陜西 西安 710048)

近年來(lái)，地鐵工程發(fā)展迅速，隨之而來(lái)的是地鐵沿線大面積的開(kāi)發(fā)建設(shè)和市政配套，這就必然會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)狀態(tài)造成影響。國(guó)內(nèi)外有大量的專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)地鐵周邊新建建(構(gòu))筑物對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了大量的分析，尤其是明挖基坑變形規(guī)律及對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析[1-8]，各大城市相繼出臺(tái)了地鐵保護(hù)條例，國(guó)家也發(fā)布了安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[9-11]，目的就在于消除地鐵沿線建設(shè)對(duì)地鐵自身的影響。據(jù)報(bào)道，某城市地鐵區(qū)間隧道受近距離基坑開(kāi)挖的影響，出現(xiàn)了較大側(cè)向變形，危及結(jié)構(gòu)安全，造成了嚴(yán)重的后果，采取了搶險(xiǎn)措施；某城市地鐵結(jié)構(gòu)頂板直接被打穿，危及運(yùn)營(yíng)和乘客安全，引起了很大轟動(dòng)。究其原因，主要是對(duì)工程建設(shè)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響把握不清。為此，需嚴(yán)格按照本地區(qū)城市軌道交通工程管理?xiàng)l例及相關(guān)規(guī)范對(duì)沿線工程項(xiàng)目建設(shè)對(duì)地鐵的影響進(jìn)行評(píng)估分析。

本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，通過(guò)工程類(lèi)比、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論計(jì)算及數(shù)值模擬[12-13]等幾種分析方法研究上覆土層開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道所造成的影響和分析，同時(shí)通過(guò)計(jì)算分析提出土層開(kāi)挖減小對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)影響的措施。

1 工程概況

西安地鐵四號(hào)線大明宮北—余家寨區(qū)間起于北二環(huán)大明宮立交南側(cè)，終于余家寨村，隧道位于太華路下方，區(qū)間場(chǎng)地略有起伏，線路從北二環(huán)大明宮立交南側(cè)出站后，沿太華北路敷設(shè)，依次穿越大明宮立交下已拆遷人行天橋樁基、北二環(huán)大明宮立交橋、大明宮立交北側(cè)人行過(guò)街天橋到達(dá)大明宮站，施工方法為盾構(gòu)法。該區(qū)間隧道底板標(biāo)高介于373.376 m～379.486 m之間，隧道埋深約10.00 m～16.24 m，線路最大縱坡為28‰，最小曲線半徑R=700 m。區(qū)間隧道內(nèi)徑為Φ5 400 mm，管片厚度為300 mm，隧道外徑為Φ6 000 mm。管片：C50,P10防水鋼筋混凝土，管片環(huán)向分6塊，F(xiàn)塊為縱向插入式。管片之間采用彎螺栓連接，環(huán)向每個(gè)接縫有2個(gè)螺栓，共12個(gè)；縱向共設(shè)10個(gè)螺栓(除了封頂塊，其它塊各2個(gè))。管片環(huán)寬為1.5 m，左右轉(zhuǎn)彎環(huán)采用單面楔形，楔形量為38 mm；管片采用錯(cuò)縫拼裝。為滿(mǎn)足防水構(gòu)造要求，在管片的環(huán)縫、縱縫面設(shè)有一道彈性密封墊槽及嵌縫槽；由于管片拼裝需要，每塊管片中央均設(shè)有吊裝孔，吊裝孔兼二次補(bǔ)強(qiáng)注漿的注漿孔(見(jiàn)圖1)。

(a) 剖面圖 (b) 整體圖

圖1盾構(gòu)管片圖

下穿太華路南、北通道，位于地鐵四號(hào)線大明宮北—余家寨區(qū)間正上方。通道均寬11.2 m，高4.8 m,長(zhǎng)46 m，分段長(zhǎng)度為11.48 m、23.00 m、11.48 m，共分3段，分段之間設(shè)2 cm沉降縫。區(qū)間隧道從中間23 m段通過(guò)，南側(cè)通道結(jié)構(gòu)底板距離區(qū)間隧道頂最近為4.98 m。北側(cè)通道結(jié)構(gòu)底板距離區(qū)間隧道頂最近為9.69 m。南側(cè)通道距離大明宮北站37.9 m。下穿立交橋匝道和輔道通道距離區(qū)間隧道大于60 m。本文選取南側(cè)通道進(jìn)行研究分析(見(jiàn)圖2)。

圖2下穿通道與地鐵結(jié)構(gòu)平面位置圖

2 工程及水文地質(zhì)概況

大明宮北—余家寨區(qū)間，起于北二環(huán)與太華路十字以南，終于余家寨村，隧道位于太華路下方，穿過(guò)北二環(huán)后，隧道向東偏移。區(qū)間場(chǎng)地地形略有起伏，地面高程介于393.38 m～396.89 m。本區(qū)間地貌單元屬渭河二級(jí)階地。

大明宮北—余家寨區(qū)間場(chǎng)地?zé)o地表水系，但區(qū)間西南側(cè)約0.5 km有太液池，太液池總面積約為14.1萬(wàn)m2，池底采用防滲結(jié)構(gòu)，太液池于2010年7月5日注水，水面高程398.80 m，水深約1.50 m。太液池以人工注水補(bǔ)給為主，排泄方式主要為大氣蒸發(fā)。場(chǎng)地內(nèi)地下潛水穩(wěn)定水位埋深18.80 m～20.50 m之間。本區(qū)間南端大明宮北車(chē)站抗?jié)B水位為389 m。地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q3eol)新黃土及殘積(Q3el)古土壤；再下為上更新統(tǒng)沖積(Q3al)粉質(zhì)黏土、中砂等。具體各土層力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各土層力學(xué)指標(biāo)表

3 分析結(jié)果研究

3.1 工程類(lèi)比法

(1) 實(shí)測(cè)案例1。西安南門(mén)外綜合改造工程中的市政隧道從已運(yùn)營(yíng)的地鐵2號(hào)線鐘樓—永寧門(mén)區(qū)間隧道上部通過(guò)，市政隧道基坑開(kāi)挖深度超過(guò)8 m，兩者之間凈距僅為2.0 m。市政隧道基坑開(kāi)挖引起地鐵區(qū)間隧道向上的位移：左線隧道拱頂和拱底隆起值分別為5.6 mm和5.3 mm，右線隧道拱頂和拱底的最大隆起值分別為5.2 mm和4.7 mm；基底最大隆起值為15.3 mm。

(3) 實(shí)測(cè)案例3。廣州天河?xùn)|路—天河路隧道經(jīng)過(guò)天河路與天河?xùn)|路的交叉位置，位于地鐵3 號(hào)線左、右線(上、下行線)的上方，呈垂直走向，三號(hào)線處于運(yùn)營(yíng)階段。隧道通道凈高為5.0 m，距天河路隧道底標(biāo)高2.76 m左右，基坑開(kāi)挖深度為7.3 m。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，左線隧道豎向變形最大上浮位移為3.2 mm，最大沉降為-1.5 mm，右線隧道表現(xiàn)為整體上浮，隧道結(jié)構(gòu)最大上浮位移為2.9 mm；基底最大隆起值為9.89 mm。

(4) 計(jì)算案例4。項(xiàng)目位于成都市市中心繁華地帶，地鐵2號(hào)線從場(chǎng)地辦公樓和商業(yè)內(nèi)局部地段通過(guò)，地下室為2層，局部3層。地下2層位于運(yùn)營(yíng)地鐵之上。地層為砂土，地鐵最大上浮2.6 mm。

根據(jù)以上工程的類(lèi)比，結(jié)合太華路—北二環(huán)立交工程地層特性、基坑深度和平面尺寸，預(yù)測(cè)下穿太華路南側(cè)地下通道引起隧道上浮變形約為4 mm～6 mm；基底最大隆起值為12.54 mm。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法

為能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)基坑回彈變形，本次在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展三組K30載荷試驗(yàn)(見(jiàn)圖3)。

圖3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖(利用現(xiàn)場(chǎng)挖掘機(jī)提供反力)

根據(jù)西安地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，考慮到載荷板尺寸、實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際基坑的差距，實(shí)際回彈量約為載荷板試驗(yàn)測(cè)得的5倍～8倍，根據(jù)本次測(cè)試計(jì)算結(jié)果，約為6.35 mm～10.16 mm。

3.3 理論計(jì)算法

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14](GB 50007—2011)，地基回彈變形量可按下式計(jì)算：

(1)

式中：Sc為地基回彈變形量，mm；ψc為回彈量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取1.0；Pc為基坑底面以上土的自重壓力(kPa)地下水位以下應(yīng)扣除浮力；Eci為土的回彈模量。

經(jīng)驗(yàn)算，基坑底卸荷回彈量：Sc=18.137 mm

值得注意的是地基基礎(chǔ)規(guī)范中的推薦回彈變形計(jì)算方法，主要適用于深基坑，計(jì)算方法也是深基坑經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，淺基坑計(jì)算時(shí)可能存在較大的誤差。

3.4 數(shù)值模擬法

采用ANSYS有限元分析軟件，建立整體三維模型分析計(jì)算整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程對(duì)地鐵隧道的影響，有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

選取分析工況如下：

工況1：一次性放坡開(kāi)挖→一次性澆筑橫通道→一次性回填基坑

工況2：分2層放坡開(kāi)挖→邊開(kāi)挖邊澆筑橫通道→一次性回填基坑

(1) 工況1計(jì)算結(jié)果。工況1計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4有限元模型網(wǎng)格圖

(a) 基坑底部隆起圖 (b) 拉應(yīng)力云圖

圖5工況1橫通道施工期間盾構(gòu)管片隆起及拉應(yīng)力變形云圖

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，工況1基坑最大隆起為10.1 mm，盾構(gòu)管片的最大隆起值為3.3 mm，曲率半徑為ρ=65 000 m>15 000 m，故區(qū)間隧道的曲率滿(mǎn)足安全要求，但從隧道結(jié)構(gòu)受力角度來(lái)看，隆起最大部位附近的管片拉應(yīng)力約為2.3 MPa，低于C50素混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度3.1 MPa[15]，滿(mǎn)足抗裂要求，盾構(gòu)管片的最大隆起值為5.2 mm。

(2) 工況2計(jì)算結(jié)果。工況2計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

(a) 基坑底部隆起圖 (b) 拉應(yīng)力云圖

圖6工況2橫通道施工期間盾構(gòu)管片隆起變形及拉應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，工況2邊放坡開(kāi)挖、邊澆筑橫通道襯砌的施作方法時(shí)，基坑最大隆起為7.2 mm，管片的最大隆起值為2.5 mm，曲率半徑為ρ=90 000 m>15 000 m，故區(qū)間隧道的曲率滿(mǎn)足安全要求，且盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力為1.8 MPa，未超過(guò)C50混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度值3.1 MPa，表明采取工況2進(jìn)行橫通道施工時(shí)，盾構(gòu)管片受拉和變形均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.5 盾構(gòu)管片受力計(jì)算

采用ANSYS有限元軟件，建立結(jié)構(gòu)-荷載模型，對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)力變化進(jìn)行分析，并對(duì)照既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況評(píng)估其安全性。盾構(gòu)管片的受力及配筋計(jì)算，采用結(jié)構(gòu)荷載法計(jì)算原理進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)盾構(gòu)管片所處地層的厚度及盾構(gòu)管片上方基坑開(kāi)挖期間存在的兩次應(yīng)力場(chǎng)變化、施工荷載的變化，來(lái)進(jìn)行襯砌內(nèi)力的計(jì)算、配筋和裂縫寬度驗(yàn)算，考慮計(jì)算工況如下：

(1) 工況1：原地層條件下盾構(gòu)管片內(nèi)力及變形分析。

(2) 工況2：橫通道開(kāi)挖卸載條件下盾構(gòu)管片內(nèi)力分析。

(3) 工況3：橫通道襯砌施工條件下盾構(gòu)管片內(nèi)力分析。

根據(jù)荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖施加荷載，計(jì)算完成后得到的內(nèi)力包絡(luò)結(jié)果如圖7—圖9所示。

圖7 軸力圖(單位：kN)

圖8 彎矩圖(單位：kN·m)

圖9法向位移圖(單位：mm)

從上述工況的分析結(jié)果可知，原始地層下的工況1盾構(gòu)管片受到的荷載最大，基坑開(kāi)挖后盾構(gòu)管片受力相對(duì)減小，橫通道襯砌施作后，盾構(gòu)管片受力又有所增大，受到局部偏壓影響，隧道襯砌管片的軸力和彎矩均有一定程度的增大，但總體而言，基坑開(kāi)挖工況2和橫通道襯砌施工工況3相對(duì)于原工況1而言，襯砌受力均比原工況小，因而原工況下襯砌的配筋及裂縫寬度滿(mǎn)足要求時(shí)，工況2和工況3自動(dòng)滿(mǎn)足要求。

3.6 抗浮計(jì)算

開(kāi)挖卸荷、通道施作，減小了隧道結(jié)構(gòu)上覆荷載，對(duì)施工期間、通道完成后進(jìn)行地鐵隧道抗浮進(jìn)行驗(yàn)算：Gk/Nw,k≥Kw。

抗浮水位：根據(jù)地鐵勘察報(bào)告：本區(qū)間南端大明宮北車(chē)站抗浮水位為389 m，北端余家寨抗浮水位為386 m，區(qū)間各段抗浮可根據(jù)里程內(nèi)插取值。分別計(jì)算得到下穿太華路南側(cè)區(qū)間隧道的抗浮水位為391 m。

經(jīng)計(jì)算抗浮安全系數(shù)為1.396≥1.050，滿(mǎn)足抗浮要求。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實(shí)例分析研究了上覆土層開(kāi)挖對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響和分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 地鐵隧道上覆土層因開(kāi)挖基坑而卸荷后，基底土層將卸荷回彈，從而引起盾構(gòu)隧道產(chǎn)生上浮變形，土層的開(kāi)挖方式對(duì)變形的影響起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)采用分層對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖法進(jìn)行上覆土層的卸載，盡量減小開(kāi)挖對(duì)區(qū)間隧道的影響。

(2) 地下工程普遍存在抗浮問(wèn)題，土層開(kāi)挖后隧道的抗浮問(wèn)題需重點(diǎn)關(guān)注并進(jìn)行抗浮計(jì)算分析，對(duì)于抗浮水位較高覆土較淺，抗浮不能滿(mǎn)足要求的應(yīng)采取必要的工程措施進(jìn)行處理。

(3) 本文計(jì)算和分析土層回彈變形所得到的結(jié)果存在出入，主要是由于巖土工程的特殊性所決定的，但是從大的變形趨勢(shì)來(lái)說(shuō)幾種分析方法所得到的結(jié)果可以達(dá)到相互驗(yàn)證的目的，對(duì)于所得出的結(jié)果應(yīng)該是可信的。

(4) 隨著越來(lái)越多類(lèi)似工程的開(kāi)展，將會(huì)有更多的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，后續(xù)工作可以根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便為以后類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。