某橋臺填土與樁基施工對地鐵線影響分析

徐立強，麥毅康，李亞如

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市100082）

0 引 言

橋梁樁基、路基填土等施工會影響已運行的地鐵隧道安全，為保證施工過程中地鐵隧道的安全，相應安全分析評估尤為重要。目前國內外對樁基與隧道相互影響已經有相關研究。如李文琛、魏洋洋樁基與對鄰近地鐵盾構隧道的相互影響、保護等進行了理論研究[1-2]，主要基于理論計算方法如剪切位移法等以及MIDAS/NX、HS本構模型、FLAC軟件等軟件進行數值模擬分析，李文琛得出樁基成孔與混凝土澆筑施工對臨近地鐵盾構隧道以豎向沉降為主；魏洋洋得出盾構推進對周圍土層影響規律，擬合出相關土體水平位移的經驗公式等結論。周曉夫、董必成等對橋臺設置與橋臺填土等對隧道影響進行了相關研究[3-4]，采用FLAC3D有限差分軟件、GOODMAN單元、HSS模型進行數值模擬，周曉夫得出豎向變形量對承臺與盾構之間的豎向凈距非常敏感，橫向由于基坑開挖均采用了支撐，影響不敏感；董必成得出填土引起的地鐵隧道附加荷載與變形均滿足地鐵盾構隧道保護要求等結論。

本文以彩梅立交橋臺填土以及相應樁基施工方案對現有地鐵運營線安全評估分析項目為依據，采用有限元軟件PLAXIS3D進行了數值分析，考慮施工工藝以及相應步驟對隧道的影響，以便為類似項目提供理論依據和參考。

1 工程概況

深圳市彩梅立交為市區與關外交通轉換的重要節點。彩梅立交全線共新建主線橋1座，匝道橋5座，通道4座。根據現有設計方案，彩梅立交K1+105（梅林關方向）橋臺填土區域在地鐵10號線和聯絡線正上方。橋頭路基填土最大高2.53m，長8.8m，寬27.45m，其中所涉及的10號線隧道埋深約21.2m，上下行隧道凈距5m，路基填土中心與10號線間距，對于左線約20.05m，右線約8.93m，聯絡線約18.5m，填土面中心與聯絡線隧道凈距約14.4m。填土材料為人工填土，容重不大于20kN/m3。

K1+105（梅林關方向）橋臺樁基分別位于10號線、聯絡線隧道之間，其與10號線主線隧道最小凈間距1.75m，與聯絡線最小凈間距4.25m，見圖1。

圖1 K1+105（梅林關方向）橋臺樁基與隧道位置關系圖（單位：cm）

K1+105（梅林關方向）鄰近地鐵10號線主線隧道及采用礦山法施工，隧道寬6.2m，高6.75m，聯絡線采用礦山法施工，隧道寬6.86m，高6.92m。初期支護為C25混凝土，二襯為C35混凝土。

2 《深圳市地鐵集團有限公司地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法》相關規定

2.1 地鐵運營安全保護區范圍劃分

本工程項目符合地鐵運營線路及周邊的特定范圍內設置的保護區域，具體為：地下車站與隧道結構外邊線外側50m范圍內；地面、高架車站及區間結構外邊線外側30m范圍內；出入口、通風亭、變電站等建筑物、構筑物外邊線外側10m范圍內。

2.2 地鐵建設規劃控制區

地鐵線路交由深圳市地鐵集團做前期預、工可研起，至工程建成施工單位向我司正式移交期間的地鐵建設線路及周邊的特定范圍內設置的控制和保護區域，其區域范圍按照2.1條執行。本工程項目可根據2.2.1-2.2.2條相關控制指標執行。

2.2.1 車站及隧道結構安全控制指標

車站及隧道的水平位移、豎向位移、徑向收斂、變形縫差異變形、隧道軸線變形曲率半徑、隧道變形相對變曲、車站及隧道結構外壁附加荷載、車站及隧道振動速度等指標的控制值按下式確定：

式中：ri為項目允許值；Ki為安全控制系數，Ki≤1，具體值由技術管理中心根據地鐵設施健康檔案、隧道形態、地鐵服役現況和評估報告確定；Ri為控制值（具體數值參見表1）。

表1 車站及隧道結構安全控制指標標準值

2.2.2 軌道安全控制指標

運營線路軌道靜態尺寸容許變形值：軌道高低、軌向變形小于4mm/10m；兩軌道橫向高差小于4mm；三角坑高低差小于4mm/18m；扭曲變形小于4mm/6.25m；軌距+3mm，-2mm；道床脫空量不大于5mm。

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型建立參數選定

（1）材料模型及計算參數

本次模擬分析均采用線彈性體分析，不考慮材料及接觸非線性（對于彈性分析本文選用小應變硬化土模型（HSS）模擬），結構與土體連接采用Goodman單元，其中襯砌結構、圍護樁采用板單元，根據地勘報告與相關經驗確定土層計算參數見表2。

（2）結構計算參數

圖2 為本工程的三維模型建立，本工程中地鐵隧道初襯襯砌混凝土強度等級C25，二襯鋼筋混凝土強度C35，結構計算參數直接根據《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）確定。

圖2 有限元模型透視圖

（3）有限元模型

邊界約束對模型影響較大，為保證邊界約束更接近實際受力情況，沿隧道縱橫向均考慮50m外伸，另外模型平面尺寸選用200m（長）×100m（寬）。根據現場勘查資料（深圳地鐵10號線），場地內下臥風化混合巖，對于微風化壓縮性很小，模型中不予考慮，因此模型底取到微風化頂，即高度取40m。

（4）模擬過程

有限元數值模擬所對應現場施工步驟充分考慮實際施工工況及步驟，見表3。

表2 地層計算參數表

表3 有限元數值模擬步驟

4 計算結果分析

本計算結果重點對樁基成孔及臺后填土兩個施工階段進行分析（為減小樁基施工對隧道影響，經方案論證最終選用單排樁方案）。其中K1+105（梅林關方向）橋臺填土與樁基施工對地鐵10號線及聯絡線影響模擬結果圖3、圖4分別為樁基成孔施工完成時隧道豎向變形及水平變形云圖，由圖可知，對于隧道最大水平向和豎向變形量：左線分別為0.018mm及0.035mm；右線分別0.09mm及0.079mm；聯絡線0.048mm及0.064mm。

圖3 樁基成孔施工完成時隧道豎向變形云圖

圖4 樁基成孔施工完成時隧道水平位移云圖

圖5 、圖6分別為橋頭填土施工完成時隧道豎向變形及水平變形云圖，由圖可知，對于隧道最大水平向和豎向變形量：左線分別為0.120mm及0.140mm；右線分別為為0.161mm及0.251mm；聯絡線0.162mm及0.189mm。

綜上所述對于樁基成孔及臺后填土等不同工況，隧道變形形態相近，對于豎向和水平向位移滿足《深圳市地鐵集團有限公司地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法》對位移的要求。

圖5 橋頭填土及橋梁結構完成時隧道豎向變形云圖

圖6 橋頭填土施工完成時隧道水平變形云圖

5 結論

（1）理論分析結果分析

通過理論分析與數值模擬，K1+105（梅林關方向）橋臺填土引起的地鐵10號線隧道最大附加應力為3.69kPa，隧道水平位移與豎向變形均小于1mm，隧道附加應力與變形均滿足地鐵安保控制要求。在該區域橋臺填土與橋梁樁基礎正常施工條件下，地鐵10號線區間隧道與聯絡線隧道均處于安全狀態。

（2）施工方案建議

由于有限元模擬無法精準模擬其施工過程中的振動及施工質量偏差等因素，為保證施工安全做如下建議。a.在K1+105橋臺樁基施工過程中建議采用注漿減阻或采用深圳地區常見的“搓管樁”施工工法，同時需埋置二次注漿孔，出現承載力不足或者地面豎向變形較大時，及時補救；b.K1+105臺后填土存在素填土、黏土等，為減少工后沉降，尤其為減少地鐵隧道頂部附加應力影響，建議臺后盡量采用輕質材料，且分層施工；c.并在施工過程中加強監測，尤其要加強地鐵隧道頂部以及側壁的位移，發現位移偏大時及時停工，分析原因并處理后方可繼續施工。