地鐵盾構下穿公路隧道與建筑物基礎的影響研究

趙強政

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

近年來，隨著我國城市化進程的加快，我國的大中城市越來越多，各城市都在竭力打造立體的現(xiàn)代化交通體系，城區(qū)范圍內(nèi)市政公路隧道和地鐵隧道成為重要的選擇并呈蓬勃發(fā)展之勢。然而，城區(qū)范圍內(nèi)地下各類管網(wǎng)密布、地面沿線商業(yè)發(fā)達，多為建筑物密集的繁華地區(qū)，人流量大、交通繁忙，區(qū)間隧道施工環(huán)境十分復雜，常常面臨近距離穿越既有隧道和管線、鐵路站線、建筑物基礎和橋墩基礎等不利情況［1］。

在盾構施工過程中，不可避免地會對上覆土體產(chǎn)生擾動。盾構施工引起土體變形進而造成對既有建筑物的影響己成為現(xiàn)今研究的熱點，國內(nèi)外許多學者對此類問題開展了許多卓有成效的研究，如李東海［2］等采用現(xiàn)場實測的方法探討了盾構隧道斜交下穿既有地鐵車站的相互影響。徐干成［3］等建立了三維有限差分模型，研究了地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響。李永利［4］等采用三維有限元方法探討了地鐵盾構隧道下穿重力式墩橋施工措施及其相互影響。

然而，在復雜而擁擠的城市環(huán)境中地鐵盾構區(qū)間隧道往往同時近距離下穿既有隧道及鄰近高層建筑基礎等多種建筑物，相關案例及研究不多。鑒于此，本文以某城市地鐵盾構隧道下穿既有城市公路隧道、高層建筑箱型基礎的案例為研究對象，采用三維數(shù)值分析法研究了地鐵盾構隧道近距離下穿既有公路隧道以及建筑基礎引起的地層移動規(guī)律，以及三者之間的相互影響，可為今后類似工程的設計施工提供參考。

1 計算模型的建立

1.1 計算模型的選擇

計算采用三維有限元軟件ANSYS進行，模型總體圖見圖1。從圖中可見，既有公路隧道位于雜填土層中，新建地鐵盾構隧道位于中密卵石土完全風化層。新建隧道管片襯砌的外徑為6m，內(nèi)徑為5.4m，管片厚300mm，管片幅寬為1.5m。模型中，地層、既有公路隧道圍護樁、建筑物箱型基礎均采用solid45實體單元來模擬，盾構管片采用shell43殼單元來模擬，并考慮管片結構的橫觀各向同性性質(zhì)以及盾構機和管片的相互作用［5］。襯砌管片厚0.3m，注漿層厚0.15m，隧道埋深10m，兩隧道中心之間的水平距離為5m。計算時按自重應力場考慮，地面建筑豎向荷載按每層12kN／m2計算。

圖1 計算模型總體圖

1.2 土層和材料參數(shù)

計算模型中共采用10種不同的材料分別模擬地層、紅星路下穿隧道圍護樁、工商銀行箱型基礎、襯砌管片和注漿層。模型選取管片材料參數(shù)及隧道所穿越地層的物理力學參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學參數(shù)指標

在計算完初始地應力后即進行盾構隧道開挖，盾構機每步開挖3m便立即施作襯砌和壁后注漿，先開挖左線隧道，然后再開挖右線隧道。

2 計算結果分析

2.1 地層隆沉分析

地層的沉降云圖見圖2。由圖可見，由于隧道近距較小，2條隧道開挖后沉降槽產(chǎn)生了交疊。當左線隧道開挖后，地表的最大沉降發(fā)生在左線隧道正上方，最大沉降值約為10mm。右線隧道開挖后，左、右線隧道上方的地表沉降量均有所增加，地表的最大沉降值接近15mm。地表最大沉降值較小，滿足地表沉降規(guī)定的范圍（一般城市地表沉隆基準為＋10～－30mm）。

圖2 地層沉降云圖 （單位：m）

2.2 公路隧道及圍護樁的影響分析

左線地鐵盾構隧道將從既有公路隧道下方右側(cè)圍護樁下破樁通過，勢必將引起既有公路隧道以及圍護樁的附加位移和應力，見圖3。

圖3 公路隧道圍護樁位移云圖 （單位：m）

由圖3可見，當左線隧道從公路隧道右下側(cè)穿過，右側(cè)圍護樁發(fā)生的下沉情況比左側(cè)圍護樁嚴重，右側(cè)圍護樁最大下沉量為15.32mm，左側(cè)圍護樁最大下沉量為2.13mm。且當左線隧道貫通后，圍護樁的沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定，右線開挖后對圍護樁沉降影響很小。由圍護樁的側(cè)向位移可以看出，右側(cè)圍護樁因為在左線隧道正上方基本未發(fā)生側(cè)向位移，而左側(cè)圍護樁發(fā)生了傾斜，但側(cè)傾變位量值并不大。

從左線隧道貫通到右線隧道貫通，圍護樁最大拉應力變量為0.34MPa，最大拉應力出現(xiàn)在左右兩側(cè)樁的頂部。而從左線隧道貫通到右線隧道貫通，圍護樁最大壓應力變量為0.1MPa。雙線隧道貫通后，圍護樁上的最大壓應力為13MPa，且主要發(fā)生在左側(cè)圍護樁上，其應力云圖見圖4。

圖4 圍護樁應力云圖 （單位：Pa）

從公路隧道的變形來看，由于左線隧道從其右下側(cè)穿過，公路隧道的路面及側(cè)壁均發(fā)生了不均勻沉降，出現(xiàn)向右傾斜情況。公路隧道路面最大沉降值為15mm，傾斜率為0.108%，其沉降位移云圖見圖5。

圖5 公路隧道位移云圖 （單位：m）

由公路隧道的應力來看，從左線隧道貫通到右線隧道貫通，下穿隧道最大拉應力變量為0.91 MPa。而從左線隧道貫通到右線隧道貫通，下穿隧道最大壓應力變量為1.01MPa。雙線隧道貫通后，下穿隧道的最大壓應力為9.39MPa，主要發(fā)生在道路右側(cè)沒有圍護樁的部分，見圖6。

圖6 公路隧道應力云圖 （單位：Pa）

2.3 鄰近施工對建筑物基礎的影響分析

由于所建地鐵盾構隧道鄰近建筑物施工，對建筑物也產(chǎn)生了擾動，造成其基礎發(fā)生變形。其中，箱型基礎的沉降云圖見圖7。由于箱型基礎在右線隧道右側(cè)且距離較近，盾構隧道開挖后建筑物發(fā)生左傾趨勢。隧道雙線貫通后，箱型基礎最大沉降值為7.51mm。

圖7 箱型基礎沉降云圖 （單位：m）

盾構掘進過程中有可能基礎產(chǎn)生過大的拉應力或壓應力，從而使基礎開裂影響承載力。從左線隧道貫通到右線隧道貫通，箱型基礎最大拉應力變量為0.11MPa，變化很小。而從左線隧道貫通到右線隧道貫通，箱型基礎最大壓應力增量為0.02MPa，變化很小。雙線隧道貫通后，箱型基礎上的最大壓應力為2.55MPa，其應力云圖見圖8。

圖8 箱型基礎應力云圖 （單位：Pa）

3 結語

（1）新建地鐵盾構隧道下穿既有公路隧道時，地層的反復擾動將引起地表沉降的疊加，進而引起公路隧道路面發(fā)生下沉與輕微傾斜。由于設置了圍護樁，一定程度上減緩了開挖的影響。

（2）隧道下穿施工將使公路隧道右下側(cè)的被破圍護樁發(fā)生明顯的沉降、側(cè)移以及應力變化，其最大拉應力主要發(fā)生在右側(cè)被破圍護樁頂部，最大壓應力發(fā)生在左側(cè)圍護樁處，施工時應進行重點監(jiān)控，并根據(jù)實際情況調(diào)整施工參數(shù)，如果有需要可以進行樁基加固以確保安全。

（3）新建地鐵盾構隧道近接施工將造成既有建筑箱型基礎產(chǎn)生沉降與傾斜，并有可能使基礎產(chǎn)生過大的拉應力或壓應力從而使基礎開裂影響承載力。而圍護樁的設置在一定程度上減緩了開挖對建筑物基礎的影響，使建筑物基礎沉降、傾斜變位以及拉、壓應力等都處于可控范圍內(nèi)。

［1］ 劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1991.

［2］ 李東海，劉 軍，蕭 巖，等.盾構隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（S1）：3186－3192.

［3］ 徐干成，李成學，王后裕，等.地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析［J］.巖土力學，2009，30（S2）：269－272.

［4］ 李永利，趙旭偉，周冠南，等.地鐵盾構隧道下穿重力式墩橋施工措施及影響分析［J］.施工技術，2010（8）：83－86，100.

［5］ 何 川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響［J］.土木工程學報，2008，41（3）：91－98.