敏感环境条件下地铁停车场桥基施工对下伏高铁隧道群的扰动效应研究

(1.中铁五局集团 建筑工程有限责任公司，贵州 贵阳 550081； 2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004)

1 概述

近年来，我国隧道及地下工程穿越不良地质带、高风险段落、环境敏感区域的案例越来越多[1-3]，施工风险不断增大。当前，对于复杂地质和环境条件下不同类别的地下工程与既有基坑工程、地铁隧道及高铁隧道工程相互影响的研究，国内已有不少相关论述和报道。国内方面，孙长军[4]以北京地铁为例，定量描述了地铁工程与周边环境的接近程度或相互影响程度的接近度和影响分区两个概念，给出了不同工法的接近度及工程影响程度划分标准，并据此综合考虑工程自身风险和环境风险提出工程综合风险等级分级方法。刘远亮[5]运用Midas GTS三维数值模拟计算软件分析基坑开挖对邻近地铁隧道的影响。刘毅[6]结合苞谷垄隧道工程建设实例，研究了跨线桥桩基施工对既有高铁隧道的影响。张宇[7]研究了高速动车作用下不同围岩条件下典型高铁隧道结构的动力响应。章红兵等[8]通过对邻近隧道基坑群分布类型的分类归纳，系统研究了不同分布类型基坑群施工对邻近隧道的影响。胡瑞青等[9]基于有限元法分析研究了成都砂卵石地层基坑开挖对侧方既有地铁交叉隧道和车站的影响。国外学者近年来对于隧道近接施工等问题也开展了一定的研究。例如，MROUEH等[10]采用三维有限元方法对隧道与既有地表建筑物进行了数值模拟。JENCK等[11]运用三维有限差分软件FLAC 3D对盾构施工和建筑物进行了数值模拟，在考虑地层损失的情况下研究了建筑物刚度对地表位移的影响。

虽然上述针对邻近隧道之间、桩基与隧道之间以及既有建筑、基坑、地铁车站或地铁隧道与隧道间的相互影响等方面的研究，均取得了一定的成果或有意义的结论。但是，当前我国在地铁、铁路、公路等基础设施建设过程中采用的大量不以生态环保、节能降耗和可持续发展等绿色建造[12-14]理念为出发点的常规工程措施[15-16]，如高填、深挖、污染、扬尘、乱排乱放和其他不考虑成本、节能降耗、生态和绿色环保理念的日显粗犷的常规工程施工手段，既破坏了原有地层结构和生态循环，更不利于生态环保、工程建设和周边建筑物的安全和长期稳定[17-18]。而采用现代绿色建造关键技术(如生态技术、生物技术、节能降耗、降尘减排和循环利用等技术和方法)，则可有效解决上述施工安全和长期可持续稳定等问题，从而达到工程安全建造与生态环保的双重功效。

深圳地铁6号线民乐停车场工程，由于上跨多个既有运营高铁隧道结构且在填土区建造，具有结构复杂、环境敏感、地质复杂、施工难度大、工期紧张及施工风险高的特点。该地铁停车场集合了不规则人工填土、上跨高铁隧道群、近接深大桩基施工等敏感地质和环境条件特点，其所涉及的高铁隧道安全运营监测、保护和近接工程设计与施工工艺所需考虑的影响因素及其复杂程度，在国内外地铁、隧道及地下工程的建设中均属罕见。对该工程而言，绿色建造技术、微扰动方案设计和施工工艺的应用和研究，有着极大的研究意义和工程实际应用价值。因而，在该地铁停车场桥梁基础施工中，开展桩基(尤其是大直径2.0、2.2 m桩基)施工对下方高铁填土隧道群的扰动效应的研究，是确保桩基施工和既有下伏高铁隧道群及列车运营安全的必要手段，是必须深入研究和解决的一个重大问题。

2 工程背景

深圳地铁6号线民乐停车场位于深圳市龙华新区梅观立交西北侧。该工程所处场地原始地貌为丘陵，场地位于龙华区梅观立交西北侧，新区大道与地铁4号线(龙华线)以西，翠岭华庭以南。工程所在场地地形总体起伏较大，场地范围内上覆第四系全新统人工填堆积层(Q4ml)、下伏燕山期花岗岩(γ53)，地层从上至下为素填土、填碎石、中风化花岗岩、微风化花岗岩。此外，场地内人工填土范围较广，基本涵盖整个场区，其成分多样，主要为粘性土、砂砾、碎石、块石等，土质不均，局部混有少量的建筑垃圾。

民乐停车场运用库1区上跨既有运营高铁隧道。该停车场工程场地下方穿越3条铁路隧道(图1)。其中，广深港客运专线隧道处于花岗岩层中，现状埋深约32 m；杭(厦)深铁路正线隧道及其联络线隧道，埋深约10～12 m，修建方式为明挖后回填，处于素填土与碎石土层。3座隧道彼此不平行，存在相对角度。

(a) 场地地质及隧道间相互关系立面示意图

(b) 各隧道相互关系平面示意图

Figure 1 Map of the relationship between new metro parking yard and existing high-speed railway tunnels

本工程中，上部钢桁梁桥的多根基桩深入到隧道两侧，其中部分桩基贯穿隧道基础，距离隧道结构极近。图1中，厦深铁路与联络线之间桩基距隧道轮廓线距离最近仅为3.04 m，广深港铁路隧道与联络线隧道之间为4.78～5.84 m，距广深港铁路西侧最小距离为8.64 m。

为达到同时确保桩基施工安全、既有下伏高铁隧道群的安全与稳定以及列车运营安全这三重目标，必须在施工阶段对其进行详细的计算分析和现场监控，提出相应的安全控制措施，并根据实际状况来不断调控和优化施工顺序和施工方法，以最大限度地减小桩基施工对运营高铁隧道的影响。

3 数值模拟方法

3.1 三维计算模型的建立

本工程的施工方案中部分桩体与隧道较近，通过MIDAS GTS NX 有限元软件建立深圳地铁6号线民乐停车场群桩-隧道-地层整体三维数值计算模型。模型左右侧取3倍隧道宽度计算范围，在高度方向考虑3倍隧道洞高和桩长的影响，所建立的模型范围：长×宽×高=450 m×320 m×132.5 m；划分好网格的模型，节点总数125 694个，单元总数666 012个。建立的数值分析模型，如图2所示。

图2 停车场群桩-隧道-地层整体三维数值模型Figure 2 3D pile-tunnel-stratum numerical model of the metro parking yard

3.2 计算参数的选取

数值计算中所取的物理力学参数，见表1。

表1 主要计算参数Table 1 Main calculation parameters土层弹性模量/GPa泊松比容重/(kN·m-3)粘聚力/kPa素填土1.10.3219 3.5超填土1.30.35192碎石层1.50.322120微风化花岗岩34.50.23241 750

3.3 初始条件和边界条件

计算模型的边界条件：约束前、后、左、右侧边界，施加水平方向的单向约束，底面施加竖向法向约束，模型上表面为自由面。计算中，将各土(岩)层看作理想弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb屈服准则。此外，假定隧道结构及附近围岩在外荷载作用下仍处于弹性变形阶段，均为各向同性弹性模型。

3.4 铁路移动荷载的选取与施加

列车在线路上通过时，车轮对轨下道床和路基的影响，可以视为一个不断加载和卸载的循环作用过程。在模拟列车动荷载作用时，通常采用以下2种简化方式[9～10]：①作用于定点的变化荷载，即将轮轨力看作简谐荷载或其它脉冲荷载作用在轨道上的某一固定位置上；②移动荷载，即认为列车轮轨荷载是在空间和时间连续变化的。本文计算中采用移动的列车荷载作为外部激励方式，根据列车轴重和行车速度，由下面经验公式(1)计算不同速度下的列车动荷载幅值，从而实现动力效应的模拟和计算。

Pd=Ps(1+αv)

(1)

式中:Pd为动轮载，kN；Ps为静轮载，kN；α为动力冲击系数；v为列车行驶速度，km/h。

计算模型中，两列列车通过时的移动荷载施加情况，如图3所示。

图3 两列列车动荷载施加及隧道周边桩基位置示意图Figure 3 Dynamic load application of two trains and location of pile foundations around the tunnels

4 计算结果及分析

本次模拟分析主要探讨不同桥梁桩基(尤其是8根2.0、2.2 m大直径桩基)的开挖成孔顺序、形态、大小及与下方营运高铁隧道相互位置关系条件下，不同工况桥基成孔施工对隧道结构受力、变形及其稳定性的影响，分析不同高铁列车通过时桥基成孔的动力响应和扰动效应，并提出相应不利情况下的应对措施。为便于分析，对不同工况做以下分类。不同工况下的桩基开挖及列车扰动效应的计算情况，见表2。

表2 桩基开挖及列车扰动效应计算工况Table 2 Calculation conditions of pile foundation excava-tion and train disturbance effect工况号开挖桩号施工荷载列车开行情况1B-2,1-1,B-2,1-2桩基平台履带吊车两列300 km/h双向对开2B3-1,B3-2同工况1同工况13B-4,B-6同工况1无4B-3,B-4无同工况15B-3,B-5无同工况16B-4,B-6无同工况17B-4,B-6同工况1同工况18B-3,B-5同工况1同工况19B-3,B-5同工况1一列300 km/h注:表中桩号对应其承台编号;桩基平台和履带吊车分别重750和3 500 kN。

桩基开挖是一个动态变化的过程，数值模拟过程中，通过改变单元材料类型和参数模拟将隧道开挖简化成非连续推进过程。隧道开挖一定距离后，首先对岩土体赋予Null model模型，即表示该土体被移除或开挖，再逐步向前推进直至开挖完成。

4.1 施工过程中高铁通行对隧道变形的影响

理论上，高速铁路运行均会对整个开挖段产生一定的影响。但由于动力计算需消耗大量时间和资源，监测整段隧道变形是不现实也是不必要的。为明确振动荷载对隧道的影响，考察列车振动荷载开挖过程中隧道结构的位移特征，在桩基开挖处取隧道横断面为研究断面，并在隧道断面关键部位设置监测点。数值计算中，以杭深联络线隧道拱腰处为1号监测点，拱顶为4号监测点；杭深梅林隧道拱顶为5号监测点，拱腰为2号监测点，拱底为3号监测点。各监测点的竖向位移情况，如图4所示。

(a) 工况5、6、7、8对比

(b) 工况5、8、9对比

Figure 4 Vertical displacement of each measuring point of tunnel under the influence of dynamic train load

由图4可知，1列300 km/h的高铁列车通过杭深梅林隧道时，1、2、3、4和5号监测点分别产生了0.077、0.081、0.082、0.084、0.087 mm的竖向位移。变化趋于平缓，在5号监测点达到最大值。相比8、9工况反映了高速列车的数量对隧道的竖向变形的影响。在考虑桩基平台及施工荷载的情况下，只有一辆列车通行时5个监测点的竖向位移分别达到0.492 5、0.504 9、0.511 3、0.524 9和0.533 4 mm。当两辆列车同时双向对开经过隧道时，引起隧道的竖向位移最大。此时，5个监测点的竖向位移分别达到0.573 1、0.586 2、0.594 1、0.608 3、0.620 1 mm。与单列车通行相比5处监测点位移变化相差不大，基本稳定在0.08 mm，峰值增大了0.086 7 mm。

4.2 桩基成孔顺序对隧道的影响

隧道周边的岩土体开挖往往伴随着一定的卸荷效应，会进一步影响到隧道结构本身变形和洞周其他围岩的位移和应力分布情况。为了明确直径较大的桩基在开挖过程中对邻近隧道结构的扰动效应。在本次数值模拟中，选择了离隧道结构最近的8根2 m和2.2 m直径的桩基，分析不同的施工顺序对既有高铁隧道的影响。其中，1、2、3号工况施工顺序下，隧道造成的横向最大位移分别为1.976 63e-003、1.975 15e-003、1.975 32e-003 mm，竖向沉降最大为2.486 47e-003、2.486 19e-003、2.485 93e-003 mm。以工况1为例，B-2,1-1和B-2,1-2桩基开挖时，隧道及其片石基础的竖向、横向变形和位移计算结果，见图5。

(a) 竖向

(b) 横向

Figure 5 Deformations and displacements of tunnels and rubble concrete foundations (condition 1)

由图5分析结果可见，因2座隧道中间桩体的存在，桩基开挖均会使两侧隧道产生向外侧的变形。在土压力上，一侧桩基的开挖会引起该侧土体卸荷。而另一侧土体则会朝开挖侧挤压隧道结构，两侧导致产生了数值大小和方向均不同的水平位移。

不同工况桩基施工顺序下，隧道各测点的竖向位移，如图6所示。

由图5、图6中的结果对比分析可知，隧道结构各监测点处受桩基开挖影响均较小。

(a) 工况1、2对比

(b) 工况4、5、6对比

Figure 6 Vertical displacement of each measuring point of tunnel under different pile foundation construction conditions

不同工况下桩基成孔引起的隧道位移最大值，如表3所示。

由表3可知，不同桩基开挖顺序下，桩基两侧隧道X方向位移数值均较小，大小在0.361 ～ 0.363 mm之间。可见，隧道两侧桩基施工对其纵向位移影响很小，以下暂不予深入讨论分析。

此外，表3中数值显示：Y方向位移(水平位移)最大值在1.946 ～1.977 mm之间，Z方向位移(沉降)最大值在2.478 ～2.486 mm之间。可见，由桩基成孔施工引起的隧道结构横向和竖向位移数值均较小，在施工安全允许范围内。但是，这其中隧道竖向位移(Z方向位移，拱顶下沉)相对较大，出现位置均在靠近广深港铁路隧道与联络线隧道桩基开孔处或其两隧道交叉处，且其在各工况下的数值均接近2.5 mm的高铁隧道安全运营预警值，需要引起格外注意。可见，桩基成孔施工对隧道变形及位移均有一定影响，且隧道局部竖向位移相对较大，需引起一定注意。

可见，综合图5、图6中的计算结果，结合不同工况下桩基成孔时隧道结构静力分析结果(表3)，可以认为桩基的施工顺序对下部高铁隧道的扰动效应较小，整体在施工安全范围内。

表3 不同工况下桩基成孔引起的隧道位移最大值Table 3 Maximum values of tunnel displacement caused by forming of pile foundation under different conditions桩号开挖顺序(从上到下1,2,3)编号桩基两侧X方向/m桩基两侧Y方向/m桩基两侧Z方向/mB-4, B63.607 68E-0041.961 47E-0032.477 81E-003B3, B53.626 80E-0041.946 47E-0032.486 48E-003B-2 1-2, B133.627 34E-0041.976 63E-0032.486 48E-003B-2 1-1, B143.627 47E-0041.976 63E-0032.486 47E-003B-14,B-2 1-13.606 76E-0041.960 93E-0032.477 53E-003B-13,B-2 1-23.624 08E-0041.975 02E-0032.486 15E-003B-3, B-53.624 57E-0041.975 14E-0032.486 19E-003B-4 ,B-63.624 74E-0041.975 15E-0032.486 19E-003B-2 1-1,B-43.613 06E-0041.968 24E-0032.480 25E-003B-2 1-2,B-53.624 80E-0041.974 47E-0032.485 65E-003B14,B-63.626 09E-0041.975 34E-0032.485 94E-003B13,B-33.626 28E-0041.975 32E-0032.485 93E-003

4.3 大型施工机械荷载对隧道的影响

在实际工程中，当结构浅埋时，应严格限制上覆施工器械、车辆等各种施工荷载的数值，防止上方荷载过大导致隧道及地下结构的过大变形或沉降。在此，分析了多个工况下桩基施工过程中，平台及大型施工机械荷载对隧道结构的影响，见图7。

图7 大型施工机械引起的隧道竖向位移Figure 7 Vertical displacements of tunnel caused by large construction machinery

由图7中工况3、工况6的结果可知，桩基开挖过程中施工荷载桩基平台重量和履带吊车荷载对隧道扰动最为明显。此外，施工荷载引起的各监测点均产生一定的沉降，工况3为0.14～0.15 mm，工况6为0.6～0.61 mm。其中，5号监测点竖向位移最大，达到了0.61 mm。

可见，由施工荷载(主要是吊装设备)所引起的隧道竖向位移数值均不大，在施工安全范围内，不会对上伏地铁停车场桩基施工、桥梁架设及隧道内列车的安全运营产生显著影响。

5 结论

为研究深圳地铁6号线民乐地铁停车场桥梁桩基侧穿施工对下部填土高铁隧道群的扰动效应，利用三维数值模拟软件建模并进行了不同工况的分析计算，主要得到以下结论：

a.在当前施工组织和实施方案情况下，民乐停车场大直径桩基的开挖会引起其下方运营高铁隧道结构产生一定的竖向和水平方向位移，其最大值均在2.5 mm以内，整体处于施工安全范围内。但是，在靠近广深港铁路隧道与联络线隧道桩基开孔处或其两隧道交叉处，隧道竖向位移(拱顶下沉)在各工况下的数值均接近2.5 mm的高铁隧道安全运营预警值，需要引起格外注意。

b.考虑桩基施工位置、施工荷载、列车运营情况等3个因素的影响时，隧道及围岩在各种组合情况下的竖向和水平方向的位移数值均较小(小于2.5 mm)，满足设计和规范要求，在安全范围内，不影响高铁隧道运营安全和上部地铁停车场的正常施工。其中，施工荷载的影响远大于其他两项，占三个变形的主要部分。此外，桩基施工的顺序对隧道变形影响较小，大多数情况下可以忽略不计；高速列车的通行数量对隧道沉降有一定的影响，两列列车通过时隧道竖向变形相较单列列车通过时大。

综上可见，民乐停车场上部桥梁大直径桩基的开挖成孔不会造成紧邻地铁停车场的下方各运营高铁隧道的变形和受力状态的明显改变，整体处于在施工安全范围内，表明桩基施工不会危及高铁隧道的结构安全和列车的行车安全。上述结论对该工程建设及高铁隧道安全运营具有一定的指导意义，也可供类似地质条件下相互毗邻、复杂交接工程的设计与施工参考。

另外，需要额外说明的是：虽然本次数值计算各工况中所得隧道结构各种变形值均较小，但存在局部竖向位移较大的情况，而若在局部土质松软、空洞或同时开挖大量桩基、振动和扰动较大等情况下，不排除实际施工过程中出现与本次模拟结果有较大偏差的现象或情况。因此，为安全起见，建议在天窗时间段撤出大型施工机械或将其移至下方运营高铁隧道群的安全影响范围之外。