桥台填土对下卧地铁盾构隧道影响研究

董必成

摘 要：以深圳月亮湾立交改造工程为背景，通过采用理论分析研究桥台填土引起的地铁盾构隧道附加荷载，并采用数值模拟研究桥台填土引起的盾构隧道附加变形。研究表明，当桥台填土采用轻质混凝土时，填土引起的地铁隧道附加荷载与变形均满足地铁盾构隧道保护要求。

关键词：桥台填土 盾构隧道 数值模拟

1.工程概况

月亮湾立交位于深圳市前海片区与南山区的交界处，是海滨大道与月亮湾大道两条快速路的相交节点，是一座重要的枢纽型全互通立交。月亮湾立交-桂庙路主线跨线桥项目位于地铁11号线南山站与前海湾站区间范围段，目前地铁11号线已开通运营。

根据现有设计方案，月亮湾立交桥头填土区域在地铁11号线正上方。地铁左右隧道之间净距6.3m，填土区域隧道埋深约22m。南山侧最大填土高度约4m，填土长度约80m，填土宽度约45m，填土面中心与地铁11号线左线隧道净距约11.5m，与右线隧道净距约23.5m；前海侧填土最大高度约5m，填土长度约145m，填土宽度约45m，填土面中心与地铁11号线左线隧道净距约2.5m，与右线隧道净距约14.5m。

月亮湾立交桥台填土区场地土层自上而下分别为填土，厚度8m，⑧砾质粘性土，厚度22m及⑨强风化花岗岩，其中隧道位于⑧砾质粘性土中，拱顶距地表22m。

2.地铁盾构隧道保护措施

为减小填土对下卧地铁隧道的影响程度，设计采用高压旋喷桩对填土区进行了加固，其中前海段地基处理桩长7m，南山段地基处理桩长8.5m，并采用轻质混凝土进行桥台回填，轻质混凝土容重≤6kN/m3。

3.隧道附加荷载理论分析

根据地表填土面积、填土厚度及与隧道位置关系，按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）附录K查表可算得隧道顶部因填土所致附加应力如图1和图2所示。

由图1可知，南山侧左线隧道顶部因填土所致附加应力最大值为3.47kPa，南山侧右线隧道顶部因填土所致附加应力最大值为5.92kPa，均满足地铁安保要求，最大值均作用于填土较高一侧隧道顶部。

由图2可知，前海侧左线隧道顶部因填土所致附加应力最大值为7.64kPa，前海侧右线隧道顶部因填土所致附加应力最大值为9.42kPa，均满足地铁安保要求，最大值均作用于填土较高一侧隧道顶部。

4.桥台填土对隧道变形影响研究

（1）材料模型及计算参数。本次分析对围护桩体和隧道衬砌采用板单元模拟，选取线弹性模型，结构与土界面采用Goodman单元，模型范围内土层采用小应变硬化土模型（HSS）进行模拟。

（2）结构计算参数。本工程中地铁盾构隧道衬砌混凝土强度等级C50，弹性模量E=34.5GPa，采用板单元模拟。根据相关研究成果，考虑隧道衬砌环向刚度折减率0.7，纵向刚度折减率为0.17。隧道施工的模拟采用衬砌收敛法，收敛率为0.4%。

（3）数值模型。为消除边界约束对隧道变形的影响，模型边界沿隧道纵向取至填土外50m，宽度取至隧道外50m，整个模型尺寸为250m（长）×150m（宽）。根据原有地铁11号线详勘资料，场地下卧基岩均为风化花岗岩，假定中风化花岗岩不可压缩，模型底面取至中风化花岗岩顶面，模型高度39m。前海侧模型高度32m。对填土平面范围下方8m厚度的土层进行加固模拟，加固后的土体强度根据复合地基理论进行加权计算。

（4）模拟过程。数值模拟中详细考虑了现场施工的过程，数值模拟步骤如下：初始应力生成→隧道衬砌激活→隧道开挖，计算完成后位移清零→地层加固→施加填土荷载。

图3为南山侧填土完成时隧道的竖向云图，从图3中可看出，填土完成后，地铁11号线隧道最大竖向沉降为0.8mm，满足《深圳市地铁集团有限公司地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中对于地铁隧道的变形控制标准。

图4为前海侧填土完成时隧道的竖向云图，从图4中可看出，填土完成后，地铁11号线隧道最大竖向变形为1.5mm，满足《深圳市地铁集团有限公司地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中对于地铁隧道变形控制的要求。

5.结束语

综上所述，得出以下结论：

（1）桥台填土采用容重≤6kN/ m3的轻质混凝土时，南山侧隧道顶部最大附加应力为5.92kPa，前海侧隧道顶部最大附加应力为9.42kPa，满足《深圳市地铁集团有限公司地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中对于地铁隧道外侧附加荷载的要求。

（2）地层加固条件下，桥台填土采用容重≤6kN/m3的轻质混凝土时，地铁盾构隧道最大沉降为1.5mm，满足《深圳市地铁集团有限公司地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中对于地铁隧道变形控制的要求。

参考文献：

[1]葛占钊，韩阳军，张新.桥台填土引起的基底附加应力的研究[J].公路工程，2011 （04）： 45-51+67.

[2]王培清，何强，其米旺姆，黄毅.桥台填土土压力計算方法[J].工业建筑，2010（S1）：600-603.