建筑技术丨近接工程施工对地铁盾构隧道结构的影响分析

随着城市规模的不断扩大，城市人口也大幅增加，交通拥堵等弊病日渐显著。轨道交通作为缓解城市交通压力的有效方法之一，已在大多数中心城市得以落实。同时，城市基础设施的不断增加和投入使用，导致邻近既有结构物（如地铁车站或区间）进行施工建设的现象越来越普遍，既有结构物近接工程的施工扰动问题也更加突出。

从力学机理上分析，当近接工程施工时，邻近结构物受力状态会受到扰动，势必造成结构地应力的重分布，宏观上表现为结构产生相应的内力和变形。若处理不当，则会引起邻近结构大变形和失稳，影响其正常使用，甚至导致安全事故。为保证隧道结构和地铁运营的安全，本研究采用数值模拟方法对近接施工对南宁轨道交通1号线运营地铁区间盾构隧道的影响展开分析，研究结果可为类似工程问题提供一定的参考依据与经验指导。

1　工程概况

本工程项目二为一条南北走向的城市支路凤岭规划路，起点接民族大道，向北下穿凤岭边坡，终点接枫林路。凤岭规划路在ZSK26+669.4里程处上跨凤岭站~埌东客运站盾构区间左线（管片顶标高95.020m，埋深约18.2m），分别进行约1.5m深的路基土换填、悬臂式挡墙（1.8~5.0m）、扶壁式挡墙（5.0~8.7m）、挖方填方边坡（高约12.6m）、明挖法矩形双跨隧道（底板埋深8.7~12m）等施工，位置关系如图1所示。

图1　区间隧道与桥涵相对位置关系

CJJ/T202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》和《南宁市城市轨道交通管理条例》明确规定地下车站与隧道外侧50 m范围内为轨道交通保护区。而本工程项目二进入南宁轨道交通1号线凤岭站~埌东客运站区间隧道保护区范围内，工程的施工必定对区间隧道产生一定的影响，因此，需对区间隧道进行道路施工期间的影响分析和安全评估，保证隧道结构和轨道交通1号线运营的安全。施工现场岩土场地内的岩土层主要为填土、淤泥质土、粉质粘土、强风化泥岩、砂岩等，见表1。

表1　各岩土层主要物理力学指标

2　施工影响范围分析

2.1　三维地质模型构建

目前，轨道交通1号线已投入运营，而填挖方工程将破坏地层原有的平衡状态，引起盾构区间周边土体向回弹，工程施工期间需保证轨道交通1号线凤岭站~埌东客运站区间运营安全。

本次研究对象为凤岭站~埌东客运站盾构区间，主要研究工作为计算并预测本工程对既有轨道交通1号线结构引起的附加变形及内力变化，评估对其安全性的影响。通过数值模拟方法构建计算模型，包括217690个单元，39576个节点。

岩土体采用摩尔–库仑本构模型。沿轨道交通1号线隧沿垂直于轨道交通1号线方向取129m，模型高为40m，保证盾构区间距离模型底大于2倍洞径，保证充分回弹，避免边界效应。模型从上到下依次划分为4个土层，分别为填土层、泥岩、粉砂质泥岩层、粉砂岩。

对于三维地层–结构有限元模型，由地表约束计算土体自重作用下的初始地应力场，对应于工况CS1。将土体位移场清零，模拟施工过程。按照施工顺序（表2）逐步开挖。施工荷载按照10kPa考虑，以面荷载模拟。各施工步骤计算模型如图2所示。

表2　施工阶段定义

（a）                         （b）

（c）                       （d）

图2　各施工步骤计算模型

（a）初始地应力平衡；（b）土方开挖；（c）施作箱涵；（d）回填土方，施工挡墙 

2.2　数值计算结果分析

（1）初始地应力平衡。采用自重应力场构造初始应力云图发现，随着模型深度的增加，对应的应力也不断增大。

（2）土方开挖。该模型在土方开挖后，施工处表面出现明显变形，最大变形量为6.11mm。而盾构隧道左侧管片出现朝向土体卸载区的变形，最大总变形为1.38mm，右侧无明显变形。土方开挖后，岩体应力得到释放，产生一定程度的变形和应力重分布。管片变形以竖向变形为主，管片隆起最大值为1.1mm，水平变形最大值为0.82mm，沿隧道方向变形可忽略。

（3）施作箱涵。本阶段变形相比土方开挖阶段变形基本维持不变。

（4）回填土方，平整道路。土体回填后管片变形略有减小，最终总变形为1.82mm，其中竖向变形为1.1mm，水平变形为0.72mm。

2.3　轨道交通结构安全性验算

本工程对邻近区间变形有一定影响，为了进一步研究施工对结构安全的影响，采用 MIDAS进行二维分析。

在施加水土压力、自重、地面可变荷载的基础上，对节点施加之前计算得到的位移以核算截面强度与裂缝，内力取各水位工况包络值进行分析。

经对比分析，管片水位位于隧道下方时为最不利工况。将低水位下荷载基本组合与节点位移施加至管片结构，得到结构内力如图3所示。

图3　结构内力示意

（a）弯矩图；（b）剪力图；（c）轴力图

从图3可以看出，由于管片位移较小（1.4mm），管片内力基本对称。弯矩最大值为269.8kN·m，剪力最大值为187.45kN，轴力最大值为1982.2kN，控制截面位于拱顶，其裂缝、强度计算结果见表3。

表3　控制截面裂缝和强度计算结果

3　结论

通过建立三维地层–结构模型和二维荷载–结构模型，对近接工程施工条件下的既有轨道交通结构进行了附加变形和内力计算和分析，得到如下结论。

（1）土体开挖后，管片出现朝向卸载区域的变形，最大总变形为1.38mm，其中管片竖向变形（隆起）最大值为1.1mm，水平变形最大值为0.82mm。沿隧道方向的变形可忽略。

（2）土体回填、道路平整后，管片变形略有减小，最终总变形为1.29mm，其中竖向变形为1.1mm，水平变形为0.72mm，沿隧道方向的变形可忽略。

（3）轨道交通结构安全性验算表明：原设计配筋满足承载力及裂缝要求，在正常施工条件下，轨道交通结构是安全的。

（4）挖填方工程将使管片受到附加荷载，开挖、回填时应分层、分块回填，同时加强对管片的监测，尤其应加强对区间隧道左线ZSK26+670前后10m范围内管片的监测，观察裂缝宽度变化。严格执行三级预警制度，对出现的问题及时上报并处理。