基坑工程施工對鄰近地鐵盾構隧道的影響分析

摘要：基坑工程常造成既有地鐵隧道的變形，甚至影響地鐵的正常運營，因此如何控制臨近地鐵隧道的基坑工程的變形就越來越受到重視。但基坑施工對地鐵隧道的影響與多種因素有關。文章結合實例分析了基坑施工對緊鄰地鐵盾構隧道的影響。

關鍵詞：地鐵;盾構;影響;計算

1.數值模型

采用荷載結構法和修正慣用法對盾構隧道受力進行計算。修正慣用法的基本思路為：將接頭部分彎曲剛度的降低評價為環整體彎曲剛度的降低，管片是具有ηEI彎曲剛度的均勻環。進一步考慮到搭接位置的接頭部分彎矩分配，再根據ηEI均勻彎曲剛度環計算出來的截面內力分析，對彎矩考慮一個增減系數ε，設（1+ε）M為主截面彎矩設計值，（1-ε）M為接頭彎矩設計值。本文取彎曲剛度有效率η=0.8，彎矩提高率ε=0.3。

廣州地鐵一號線黃沙站--長壽路站地鐵區間隧道管片外直徑6000 mm，內直徑5400 mm，厚300 mm，環寬1200mm。盾構管片拼接塊為6塊，標準塊圓心角72°，兩鄰接塊圓心角64.5°，封頂塊圓心角15°，橫向接頭為2處，縱向接頭11處，縱向連接曲螺栓強度為M24。根據管片結構參數，建立盾構隧道結構計算模型，如圖1。

圖1 "盾構隧道結構計算模型

以廣州地鐵黃沙車站上蓋地鐵物業商住發展項目為研究背景，對幾種影響因素不同組合工況下的盾構隧道受力進行計算分析。該工程場地地層從上往下依次為雜填土、砂土和強風化粉砂巖，地下水主要為賦存于砂層中的孔隙水，屬潛水性質，地下水位埋深約為2m。區間隧道頂部離地表為7m。表1為各層土質厚度及其力學計算參數。

表1 地層力學計算參數

土層

厚度/m

重度/kN/m

黏聚力/kPa

摩擦角/°

雜填土

4

18.9

10

10

砂土

10

18.5

0

24

強風化砂巖

3

19.0

100

28

隧道外壁采用全周彈簧約束考慮周邊地層彈性抗力。計算時，考慮了周邊土彈簧抗壓不抗拉的力學特性，即土彈簧受壓時，彈簧產生彈性抗力，土彈簧受拉時，彈簧不產生彈性抗力，退出工作狀態。土彈簧的基床系數一般可根據土的標準貫入擊數，采用經驗公式進行計算;或依據砂土的密實度，根據經驗查表。本文土層基床系數取兩者中的小值，即K=15×103kN/m3，基床系數折減10倍時取1.5×103kN/m3。

計算時考慮的主要荷載為土壓力、水壓力和結構自重。永久荷載分項系數取1.35，靜止土壓力系數依據地質勘查資料加權取0.7，地面超載取20kPa。

3.模擬結果及分析

3.1水位降影響

水位下降導致作用在隧道外壁的有效壓力增大，水壓力減小。分析水位降與隧道結構受力時，需考慮這兩方面的共同作用。在分析水位降對隧道結構受力時，一般可采用增量法和全量法。采用增量法分析時，僅需考慮水位降引起的隧道外壁壓力增量，不考慮隧道結構的初始受力狀態。其計算結果針對性強，能較好反映水位降對結構受力增量影響，但不能反映結構總受力情況。采用全量法分析時，考慮隧道結構初始受力狀態，并反映水位降時的結構受力情況。在已知隧道周邊地層分布及土性情況下，全量法能更有效預測水位降對結構受力的影響。

基坑施工誘發隧道區域的水位下降幅度，可通過相應的滲流分析獲得。根據依托工程的三維滲流分析結果，該基坑施工誘發的最大水位降不超過2 m。為分析水位降對結構受力的影響，對水位降為0、1、2和4m時的隧道受力進行了計算。

表2 為不同水位降時隧道受力計算結果。從表2可知，①結構最大彎矩和軸力均隨水位降幅度呈線性增長規律，以水位降0m為基準，水位每下降1m彎矩增大約為12.5%，軸力增大約為10%。②水位降2m時結構受力水平較低，最大彎矩為70 kN·m，低于管片結構控制彎矩值，不影響隧道正常使用和結構安全。

表2 不同水位降時結構最大受力

水位降

最大彎矩/KN·m

最大軸力/kN

水位降0m

56

510

水位降1m

63

560

水位降2m

70

608

水位降4m

85

706

3.2 側向土壓力影響

基坑施工誘發土層側向位移，改變緊鄰區間隧道外壁土壓力。該土壓力改變量一般可通過現場實測、數值計算或工程經驗獲得。為分析側向土壓力對結構受力影響，對水位降為2m時側向靜止土壓力、主動土壓力和土壓力減小20kPa狀態下的隧道受力進行了計算。

表3為水位降2m時不同側向土壓力狀態下的結構受力計算結果。從表3可知，①側向土壓力對結構最大彎矩起著至關重要的影響。②隧道外壁側向土壓力由靜止土壓力變為主動土壓力狀態，將導致結構彎矩最大值增大143%。③隧道外壁側向土壓力進入主動土壓力狀態，導致結構最大彎矩達170kN·m，在不考慮永久荷載分項系數1.35 作用下，其對應的彎矩值為126 kN·m，將略高于接頭螺栓的彈性極限彎矩值125kN·m，導致管片開裂和接頭環縫張開增量為1.36mm，影響隧道正常使用，使結構安全儲備較低。

表3、不同側向土壓力狀態下結構最大受力

側壓力狀態

最大彎矩/kN·m

最大軸力/kN

靜止土壓力

70

608

主動土壓力

170

650

土壓力減20kPa

119

627

3.3上方超載影響

地鐵上蓋建筑物荷載向下方土層傳遞時，可能影響隧道結構外壁應力。以廣州東風廣場五期工程地鐵上蓋物業為例，該上蓋高層建筑物荷載通過筏板和端承樁向下方土層傳遞，可能會由于筏板、樁基和土層的相互作用，對筏板下方隧道結構產生影響，其影響程度需考慮筏板、樁基和土層的共同作用確定。為簡化分析上蓋建筑物荷載對下方隧道結構受力影響，對比計算了水位下降2m時上方無超載和上方超載20kPa 時的結構受力。表4為結構受力計算結果。從表4可知，隧道上方超載20kPa將導致隧道結構彎矩增大約21%。

表4 上方超載下結構最大受力

上方超載

最大彎矩/KN·m

最大軸力/kN

無超載

70

608

超載20kPa

85

706

結合盾構隧道控制彎矩計算，可知：

1）基坑施工影響緊鄰隧道結構受力的最主要因素為隧道外壁側向土壓力釋放程度。

2）隧道外壁側向土壓力進入主動土壓力狀態，將導致管片開裂和接頭環縫張開，影響隧道正常使用，并降低隧道結構安全儲備。

3）在隧道周邊基床系數降低的情況下，如隧道外壁進入側向主動土壓力，將導致隧道發生結構性破壞。

4）僅由水位降誘發的隧道結構受力變化，不影響隧道結構的正常使用。

4.結論及建議

運用同濟大學曙光分析軟件，采用荷載-結構法和盾構隧道修正慣用法，對基坑施工影響緊鄰盾構隧道結構受力的幾個因素進行了分析，得到以下結論：

1）基坑施工影響緊鄰隧道結構受力的最主要因素為隧道外壁側向土壓力釋放程度，隧道外壁側向土壓力由靜止土壓力進入主動土壓力狀態，將導致結構彎矩增大約143%;

2）隧道周邊地層基床系數折減10倍，將導致隧道結構彎矩增大45%;

3）水位每下降1m所引起的隧道結構彎矩增大約12.5%，軸力增大約10%;

4）隧道上方超載20kPa 將導致結構彎矩增大約21%。

基于以上結論，建議：

1）加強基坑支護結構剛度，優化基坑施工方案，減小基坑側向位移和側向土壓力釋放程度。

2）確保地下連續墻接頭質量，嚴防水土流失，確保隧道周邊土層的密實性。

當出現工程險情預兆時，在隧道與基坑地下連續墻之間進行壓力注漿，并采用成熟的施工方案對隧道周邊土層進行加固處理。

參考文獻：

[1]況龍川.深基坑施工對地鐵隧道的影響[J].巖土工程學報，2000，22（3）：284-288