近距离加载对盾构隧道的影响分析

张喜

(包头市建设市场监督管理站，内蒙古包头 014300)

随着地铁建设的日益增加，以及城市用地日益紧张，在地铁隧道周边近距离进行建筑加载也越来越普遍。近距离建筑加载会导致既有地铁盾构隧道产生位移，从而影响轨道的平顺性，因此近距离加载对地铁隧道的影响不容忽视。对此，许多学者也根据实际工程进行了大量的研究［1-7］。本文采用有限元方法，对某软土地区浅基础和桩基础建筑加荷载的等级及加载位置与隧道的水平投影距离两个因素对地铁隧道的位移影响进行了分析。

1 计算模型建立及参数确定

1.1 计算模型

在软土地区5层以内的建筑一般为浅基础，现将浅基础建筑荷载简化为作用在地表的矩形均布面荷载。5层以上的建筑一般为桩基础，根据刚度等效的原则将桩基换算为实心方桩。现假设建筑荷载与隧道的走向方向基本一致，且在其纵向延伸方向上长度较长，因此建立平面模型进行计算。采用Plaxis2D建立平面计算模型，浅基础及桩基础模型横向尺寸均可变，深度方向浅基础模型为50 m，桩基础模型为80 m，隧道顶部埋深均为9 m，加载宽度均为10 m，建筑荷载和建筑与隧道水平投影净距为变量。浅基础与桩基础建筑荷载对既有隧道影响的计算简化示意图如图1，图2所示［1］。

1.2 计算参数确定

浅基础则考虑10 kPa，20 kPa，40 kPa，60 kPa，80 kPa五种加载等级，桩基础每层建筑荷载一般为15 kPa～20 kPa，考虑桩基础建筑层高为10层、20层及30层3种情况，设每层建筑荷载为20 kPa。土层参数参照表1取值。盾构隧道管片外径6.2 m、内径5.5 m，隧道衬砌结构参数根据实际情况进行折算后选取，见表2。

对于建筑桩基，在平面问题计算中，根据刚度等效原则将桩简化为桩墙，折减后的桩身弹性模量按下式计算:

其中，Esp为桩墙的弹性模量，kN/m2;Ep为桩体弹性模量，kN/m2;Es为土体弹性模量，kN/m2;l为桩间距，m;D为桩直径，m。

图1 浅基础计算模型示意图（单位：m）

图2 桩基础计算模型示意图（单位：m）

建筑桩基础混凝土标号为C40，弹性模量取3.25×107MPa。桩基础及桩顶筏板结构参数如表3所示。不同层高建筑桩基参数(如桩长、桩径及桩间距)取值如表4所示。

表1 土层物理力学性质参数

表2 衬砌结构参数

2 近距离加载对地铁隧道的影响分析

2.1 浅基础加载影响分析

图3与图4为浅基础在不同加载等级下隧道水平位移与竖向位移随加载距离的变化。隧道水平位移靠近加载侧为正、远离加载侧为负;竖向位移以向上(隆起)为正，以向下(沉降)为负。从图3可以看出，隧道受到单侧浅基础建筑加载作用后，在水平方向上向着远离加载的一侧移动;在加载强度相同的情况下，随着加载距离的增加，隧道的水平位移先增大后减小，且均在d=0时达到最大值，隧道加载位于隧道正上方时达到最大值。

表3 结构参数

表4 桩基建筑层高与桩基参数对应关系

图3 浅基础加载距离与隧道水平位移

图4 浅基础加载距离与隧道竖向位移

从图4可以看出:隧道受到单侧浅基础建筑加载作用后，在竖直方向上发生沉降;在加载强度相同的情况下，随着加载距离的增加，隧道的竖向位移逐渐减小。由浅基础加载的计算结果可知，水平位移与竖向位移随着加载位置与隧道的投影距离的增加都在减小，但竖向位移减小的幅度要比水平位移大。

2.2 桩基础加载影响分析

图5，图6为桩基础在不同加载等级下隧道水平位移与竖向位移随加载距离的变化。从图5可以看出，隧道受到单侧桩基础建筑加载作用后，在水平方向上向着靠近加载的一侧移动;在加载强度相同的情况下，随着加载距离的增加，隧道的水平位移先增大后减小，在加载等级为200 kPa的情况下，水平位移在加载距离约为10 m时达到最大值;在加载等级为200 kPa的情况下，水平位移在加载距离约为15 m时达到最大值;在加载等级为200 kPa的情况下，水平位移在加载距离约为20 m时达到最大值。

从图6可以看出，隧道受到单侧浅基础建筑加载作用后，在竖直方向上发生沉降;在相同加载距离下，随着加载等级的增加，隧道的竖向位移逐渐增大;在加载等级相同的情况下，随着加载距离的增加，隧道的竖向位移逐渐减小。由图5与图6比较发现，水平位移与竖向位移随着加载位置与隧道的投影距离的增加都在减小，但竖向位移减小的幅度要比水平位移大。

2.3 浅基础与桩基础加载对隧道的影响对比

图7为浅基础与桩基础加载时，隧道水平位移与竖向位移随着加载等级的变化情况。比较发现，当为浅基础时，隧道水平位移与竖向位移随着上部荷载的增加增长相对迅速，而为桩基础时，隧道水平位移与竖向位移随着上部荷载的增加增长相对缓慢。

图5 隧道水平位移随加载距离的变化

图6 隧道竖向位移随加载距离的变化

图7 隧道水平及竖向位移随加载等级的变化

由以上分析可知，当采用桩基础时，因建筑荷载通过桩向下传递，大大减小了上部加载对地铁隧道的影响。且当建筑层高加大时，因桩长同时也得到了一定的加长，隧道水平位移与竖向位移增长的幅度远小于浅基础加载时隧道水平位移与竖向位移增长的幅度。由此可见，桩基础上部加载对地铁隧道的影响要远小于浅基础对地铁隧道的影响。

3 结语

1)当加载的宽度约为10 m时，并以隧道水平位移或竖向位移控制在某个值以内作为控制条件，则根据计算结果，分别可得出浅基础与桩基础不同加载等级下隧道与加载水平投影的控制距离。2)浅基础与桩基础在加载作用下，水平位移与竖向位移随着加载位置与隧道的投影距离的增加都在减小，但竖向位移减小的幅度明显要比水平位移的大。3)桩基础上部加载对既有地铁隧道的影响要远小于浅基础对既有地铁隧道的影响。因此当建筑基础为筏板基础且位于地铁隧道顶部以上时，或地铁隧道顶部地表近距离堆载时，应该注意加载对地铁隧道的影响。

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