地下構筑物施工對近接既有地鐵區間的影響及安全評價

王星 WANG Xing；李明君 LI Ming-jun

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著經濟和社會的發展，城市地下空間的開發利用越來越充分，地下綜合管網等基礎設施的修建日趨增多。但近年來城市地下軌道交通的快速發展，城市市政管網與既有地鐵區間接近施工情況時有發生[1，2]。如何在保證不影響既有地鐵結構的安全條件下，合理的開展新建工程建設顯得尤為重要，若有不當，后果將不堪設想。臺北市某處地鐵附近開挖深基坑導致臨線隧道管壁破壞，結果造成了巨大經濟損失[4]。

因此，針對新建工程施工對近接地鐵隧道結構的受力和變形影響進行研究具有很重要的工程實際意義[4]。本文以新建地下電力管廊近接某軌道交通盾構區間施工為工程案例，對近接施工的影響因素進行分析，并采用數值計算方法預測新建工程施工引起的地鐵區間結構附加位移變形及內力變化，然后在此基礎上評估對近接既有地鐵結構的影響，提出相關保護建議，為后續工程提供一定借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 新建構筑物概況及近接位置關系

依托工程為濟南地鐵某盾構區間，該地鐵區間隧道已經完成施工，電力管廊位于區間隧道右斜上方，隧道結構與基坑最小水平距離約4m，垂直距離約5.2m，斜向凈距約7.86m。

新建地下電力管廊為雙溝結構型式，凈空尺寸2.3m*2.4m*2，位于新建道路北幅。電力管溝的墊層采用C15砼厚度10cm，底板、側墻及頂板厚度均30cm，采用C30（P6）鋼筋混凝土。溝槽基坑設計采用自然放坡開挖，管廊結構澆筑完成后進行覆土回填。新建電力管溝與既有區間隧道平剖位置關系如圖1和圖2所示。

圖1 新建電力管溝與既有區間隧道平面位置圖

圖2 新建電力管溝與既有區間隧道剖面位置圖

1.2 地質與水文條件

電力管廊開挖深度地層自上而下分別為：素填土、＜16-1＞粉質粘土，水位較低，基坑高度范圍未見無地下水。

2 對既有區間隧道結構現狀調查

既有地鐵區間隧道結構埋深7～9m。隧道主要穿越中風化石灰巖、全風化泥灰巖、強風化泥灰巖、中風化石灰巖等。運營期間的抗浮水位標高為30.5m，位于底板以下，無需考慮抗浮水壓。

既有隧道結構設計：采用圓形盾構管片，為預制鋼筋砼結構，盾構管片分為6塊（1封頂塊+2鄰接塊+3標準塊），管片環外徑6.4m、內徑5.8m、管片寬度1.2m、管片厚度0.3m，管片之間及管片環之間采用高強彎螺栓連接，管片混凝土強度等級采用C50，抗滲等級P10。

經現場查看，盾構管片觀感良好，表面混凝土無明顯蜂窩麻面現象，管片局部存在破損經修補后外觀良好，無明顯貫穿裂縫。雨季期間隧道局部有濕漬，存在滲漏水。

3 近接既有隧道影響分析及安全評價

3.1 近接施工影響機理及影響因素分析

近接既有隧道施工中，既有隧道開挖對原始地層應力場發生擾動，導致應力場重新分布并形成第一次應力平衡。隨著新建地下構筑物的開挖，隧道周圍地層應力場再次發生擾動，應力再次重新分布，演化過程與第一次擾動相似，最后應力場形成第二次新的平衡[3]。這種演化過程劣化了既有隧道結構及周邊的圍巖，可能會造成對區間隧道結構產生結構變形或破壞，進而影響既有隧道的安全和運營。

圖3 既有盾構隧道結構

新建電力管廊施工對既有區間的影響因素主要有：新建基坑開挖破壞原有地層，新建結構自重荷載；對既有結構產生偏壓差等。

主要表現在以下幾個方面：

①上部基坑開挖及土體卸載。新建地下構筑物結構位于既有隧道的右上方，在上部基坑開挖施工時，引起基底及坑壁土體同時卸載，隧道周圍應力重新分布，地層發生向上拉伸變形與位移。同時，因土體卸荷后，上部覆蓋層埋深變小，可能會影響隧道周邊的成拱作用，導致隧道襯砌上的荷載增大。

②建筑構筑物建成后的荷載影響。新建構筑物完成后，構筑物在隧道周邊產生附加壓應力，造成隧道襯砌的上覆荷載增大，且因新建物位于隧道側上方，對隧道產生偏壓力作用，對結構內力產生影響，襯砌發生擠壓變形和位移。

3.2 對近接結構體的安全評估方法

目前，國內外學者對有關鄰近地鐵隧道施工的計算分析方法也展開了一些研究，主要有兩類。

第一類是有限元數值模擬方法（FCFEM）。該方法的特點是在模擬新建構筑物施工的同時，將周圍土體和地鐵隧道看作一個整體進行分析，其中采用殺死單元技術來模擬基坑開挖，然后反向施加開挖邊界節點力來模擬土體應力釋放。FCFEM能夠模擬隧道與土體間復雜的相互作用以及土體的彈塑行為[4-6]。該方法也是目前國內主要的分析手段，適用性強，應用廣泛，能更好的模擬工程實際情況。通常利用大型商業化有限元軟件進行計算，比如Ansys、Flac、Midas等。

第二類為兩階段分析方法。該方法的特點是首先計算新建工程施工所對近接既有隧道的引起的附加應力或土體變形，然后將附加應力或土體變形施加于隧道，再分析既有隧道的縱向變形和內力的變化。但是該中計算方法存在未考慮既有隧道的存在對附加應力影響的弊端，可作為一種簡化計算。

3.3 近接施工影響分析

本次分析采用MIDAS-GTS巖土與隧道仿真分析軟件進行三維數值模擬分析，旨在通過模擬更加真實的反映新建地下電力管廊構筑物施工對臨近既有區間隧道結構內力及變形的影響。

①計算原則。

1）假定圍巖各層都是各向同性連續介質，土體采用摩爾庫侖本構模型；

2）假定地表和各土層均成層均質水平分布；

3）地層和材料應力應變均在彈塑性范圍變化；

4）初始平衡按照將重力加速度加到模型上，由程序自動獲得。

②計算模型。

計算模型長70m，寬70m，高度方向（z方向）取32.7m。巖土體為實體單元，采用摩爾-庫侖本構模型，隧道管片及電力襯砌采用shell結構單元模擬，整體計算模型共生成20180個單元、11352個節點。整體模型的網格劃分如圖4所示。

圖4 計算模型及近接空間位置關系示意圖

③計算參數。

選取項目周邊鉆孔地質信息作為模型計算參數，各土層基本物理力學性質參數如表1所示。

表1 巖土層物理力學參數表

④計算步驟。

巖土體的開挖是在前一計算步驟所得地應力分布的基礎上進行的，是一個應力重分布及重新平衡的過程，數值計算時按實際開挖方法施加地層釋放荷載，并求解開挖后的應力場變化。為了更好的反反映既有隧道及新建工程實際建設時序，先計算原始地應力場，模擬既有隧道建設，完成第一次初始地應力平衡后，并位移清零，作為新建工程的初始條件，然后按照新建電力管溝基坑開挖、結構施工、覆蓋回填等工況模擬，分析二者的近接影響。

⑤位移及變形計算結果分析。

1）工況一：電力管溝基坑開挖

工況一完成后，基坑及隧道結構位移變形如下：

新建基坑開挖后引起基底隆起位移約20mm，如圖5；下部隧道結構因基坑土體卸載后，右線拱肩位部位向外側變形，水平變形為0.6mm，豎向變形為1.26mm，如圖6及圖7。

圖5 工況一 基坑底部豎向隆起位移云圖

圖6 工況一 隧道結構水平變形

圖7 工況一隧道結構豎向變形

2）工況二：電力管廊結構施工

電力管溝基坑開挖至基底，施作電力管溝主體結構，隧道結構變形結果如下：

電力管廊結構施工完成后，由于基坑底部墊層及主體結構自重荷載的回壓，右線結構拱肩處水平及豎向變形分別減小至0.57mm、1.07mm，如圖8及圖9。

圖8 工況二隧道結構水平變形

圖9 工況二 隧道結構豎向變形

3）工況三：電力管溝基坑回填

覆土回填后，隧道結構變形計算結果如下：

電力管溝基坑回填施工完成后，因上部荷載的繼續回壓，右線隧道結構拱肩處變形繼續減小，分別為0.13mm、0.12mm。如圖10及圖11。

圖10 工況三隧道結構水平變形

圖11 工況三隧道結構豎向變形

根據上述工況一、工況二及工況三的計算對比分析，工況一為最不利工況，當基坑開挖完成后引起既有隧道結構拱肩側向變形是最大的。

⑥內力變化結果分析。

工況三完成后，既有隧道結構內力變化如圖12-圖14。

圖12 隧道結構彎矩云圖

圖14 隧道結構最大主應力云圖

3）上部新建管廊工程施工完成后，如圖12及圖13，隧道結構彎矩最大值約81kN*m/m，軸力480kN/m，經核算原結構配筋設計，滿足結構承載力及裂縫控制要求。

圖13 隧道結構軸力云圖

綜上所述，新建地下電力構筑物施工對既有地鐵區間結構的安全性影響較小，經過理論變形預測、內力分析及承載力驗算，既有地鐵結構是安全的。

4 結語與建議

本文以某城市新建地下電力管廊近接既有地鐵區間隧道施工為工程背景，采用三維有限元數值手段分析了新建工程在近接施工中對先建隧道的影響進行全過程工況分析和安全評價，總結出一定的規律，可為類似工程提供借鑒和參考，并提出一些安全保護建議如下：

①新建構筑物與既有地鐵隧道近接時，后建工程施工將引起既有地鐵結構產生附加變形和內力變化，應對既有結構的安全性進行充分評估。

②在既有地鐵結構近接范圍內進行基坑開挖時，基坑底部隆起引起的既有地鐵區間結構局部發生變形，產生拉應力，在較差地質情況下，建議對兩者之間的土體采取加固改良措施，有助于減小隧道周邊土體變形，必要時可以采取打設隔離樁保護措施，抵抗基坑開挖對既有地鐵結構的影響。

③本文由于地下水文較低，未考慮地下水抗浮作用，地鐵上方土體的開挖，相當于卸載作用，將增加地鐵區間的上浮風險，在地下水位較高或者富水地層中宜在地鐵區間周邊設置抗拔錨桿或其他抗浮措施等，以抵抗土體卸載引起的結構上浮，減少既有地鐵區間的變形。

④上部新建結構施工期間，建議加強地下及地下動態監控量測，尤其是對文中數值計算結果顯示內力及變形較大的部位進行重點監測。

⑤既有地鐵結構位移變形最大值發生在上部基坑開挖落底時的工況，后期新建結構施作及覆土回填后有助于改善地鐵結構的位移變形，因此基坑施工時應減少基底暴露時間，盡早施作地下新建結構并回填。

⑦安全評價。

結合《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ202-2013），控制指標及判別見表2。

表2 城市軌道交通結構安全控制指標值

1）從表可看出電力管溝施工中隧道結構最大豎向變形及水平變形均小于10mm，滿足規范要求。

2）新建工程施工完成后，如圖14，隧道結構最大拉應力約1.6MPa＜1.89MPa，滿足結構應力安全要求。