新建建筑上跨施工对浅埋大断面隧道结构的安全影响研究

【摘要】随着城市建设的快速发展，城市轨道交通系统网络密布城市地下空间。为了提高城市轨道交通周边土地的使用价值，在既有的地铁周边甚至地铁正上方的工程建设也日益增加。地铁上部基坑开挖时，隧道顶部土体卸载会引起既有地铁隧道产生附加应力，该附加应力会使地铁隧道产生相应的变形及内力变化。当既有隧道产生的变形及内力变化过大时，将影响地铁结构的安全甚至影响地铁运营的安全，一方面可以通过土体加固措施减小土体开挖对既有地铁隧道的影响，另一方面可以优化施工工序及加强监测保证既有隧道的变形和内力变化在安全范围之内。所以，为了保证既有地铁隧道的结构安全，研究上跨地铁的基坑施工对地铁隧道结构安全的影响变得非常重要。【关键词】基坑施工;隧道结构;有限元分析1引言浅埋大断面隧道上方新建建筑附加荷载通过围岩传递至隧道结构，会增大隧道衬砌内力，影响隧道运营安全。囿于边界条件、围岩性质、荷载分布等众多影响因素，附加荷载在浅埋大断面隧道围岩中的传递规律复杂，最终作用于衬砌结构的附加荷载难以确定，在此前提下，如何合理评估附加荷载对隧道结构的作用仍是工程实践中的重要课题。2上跨地铁区间的基坑开挖土体加固方法上跨既有隧道基坑开挖时，在土层较差或者基坑底距离隧道顶部间距较小时，往往需要对开挖区域及隧道周边全部或者局部进行土体加固，常用方法包括①固化物灌入法：以石灰、水泥等化学材料灌入地层中，使地层与化学材料合成一体，增强土层强度;②加筋法：将大规模的高强度加筋材料（例如钢筋混凝土、土工合成材料等）置于土层中，增强土层的承载能力;③置换法：为了达到减小沉降和增强承载力的效果，将地基中的强度较差的土体去掉，用力学性质较好的岩土材料替换;④排水固结法：因为土体排水固结后，可以减小土体间的空隙，提高土体强度，通过相关方法使土体达到排水固结的效果能达到土体加固的效果;⑤挤密、振密法：用挤密或振动的方法使土体密实，从而达到土体加固的效果。由于各个地区地层的差异，土体加固的方案也有差异。上海及周边地区软弱地层多为淤泥质土，埋藏较浅，下部为粉质粘土层，含水量相对较低，一般加固原则为：坑内淤泥质土采用抽条加固，主要起控制变形作用。广州4号线南延段位于南沙区，软弱土層较厚，软土主要为海陆交互相沉积淤泥、淤泥质土一般加固原则为基坑深度内采用抽条+裙边加固，加固深度一般为基底以下3～4m，主要起控制变形作用及方便开挖，底板下设置单排或多排工程桩的形式控制沉降。福州地区主要为淤泥、淤泥质粘土，例如地铁1#线树兜站淤泥层厚达15m，埋深3～18.7m，基底以上淤泥层较厚，局部深入基底以下1～3m，其上为杂填土、粘土，其下为粉质粘土层。采用加固方案为坑内采用双轴搅拌桩加固。3上跨地铁的基坑施工对地铁隧道结构安全影响有限元分析文中以广州地铁六号线某地铁区间隧道为研究对象，通过有限元分析，研究其上部基坑施工对隧道结构安全的影响。3.1工程概况地铁区间上方基坑所处的地层情况依次为：杂填土层、中砂层、粉质粘土层、淤泥质粘土层、粉质粘层土层、全风化花岗岩层，地铁隧道主要出于全风化花岗岩层。地铁上方基坑与地铁隧道的平面关系图见图1，剖面关系图见图2。基坑围护桩桩底距离地铁隧道拱顶垂直距离约1.3m。基坑范围分为A、B、C0、C1、C2、C3、C4七个区域，开挖前，对C0、C1、C2、C3、C4（地铁正上方基坑范围）进行搅拌桩加固，C0区域不开挖。3.2有限元分析模型本次有限元三维分析选择MIDAS-GTS计算软件。有限元模型如图3所示，基坑围护结构与地铁区间的位置关系如图4所示。3.3有限元分析参数采用Mohr-Coulomb破坏准则模拟岩土体的材料特性基坑的围护结构及隧道结构采用弹性材料进行有限元分析。3.4有限元分析工况本次分析针对地铁隧道上方基坑施工的全过程进行数值模拟，共分23个工况即23个施工步骤，具体如表2所示。3.5有限元分析结果本次分析中在S0～S3进行位移清零，以S3的变形和内力值为基础，通过分析后续施工步基坑开挖引起的位移（见图5）、内力等的变化，根据该变化值来判断基坑开挖对地铁隧道的影响。基坑开挖过程中，地铁隧道竖向变形变化情况详见图6，地铁隧道最大弯矩变化情况详见图7。根据图5结果可知：随着基坑的开挖，地铁隧道发生了一定变形，主要表现为隧道隆起量较大，隧道沉降量较小，在施工过程中，地铁隧道隆起量随着开挖进行逐渐增大，施工完主体结构后，地铁隧道隆起量会变小，最大隆起量发生施工步S5，最大隆起量达到了16.4mm，满足规范要求。根据图6结果可知：随着基坑的开挖，地铁隧道弯矩发生了一定变化。未施工主体结构前，地铁隧道弯矩随着开挖进行逐渐减小，施工完主体结构后，地铁隧道弯矩会变增大，最大弯矩发生在B区主体结构施工后（S10），最大弯矩达到了222kN·m，与初始步骤（S3）的弯矩194kN·m相比，增大了14.4%，满足结构安全。由以上结果可知，上跨地铁区间的基坑施工过程中，由于地铁隧道上方土体卸载作用，地铁区间隧道产生较大的隆起变形和较大的内力变化，而采用土体加固和优化基坑开挖工序等方法可以将地铁隧道的变形和内力变化控制在合理的范围之内。4结语文中通过总结国内外上跨地铁区间基坑开挖对地铁隧道影响的研究成果，综合各地区基坑开挖土体加固方法，以广州地铁6#线地铁区间为研究对象，采用三维有限元分析方法，研究上跨地铁的基坑施工对地铁隧道结构安全影响，得出以下结论：（1）国内外上跨地铁区间基坑开挖对地铁隧道影响的研究主要有理论研究、数值分析、现场实测等方法。（2）土体加固的方法较多，实际工程中应该根据每个地区的土层特征选取合适的加固方式，从而减小基坑开挖对地铁隧道的影响。（3）三维有限元分析可以较为准确