某桥台填土与桩基施工对地铁线影响分析

徐立强，麦毅康，李亚如

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市100082）

0 引 言

桥梁桩基、路基填土等施工会影响已运行的地铁隧道安全，为保证施工过程中地铁隧道的安全，相应安全分析评估尤为重要。目前国内外对桩基与隧道相互影响已经有相关研究。如李文琛、魏洋洋桩基与对邻近地铁盾构隧道的相互影响、保护等进行了理论研究[1-2]，主要基于理论计算方法如剪切位移法等以及MIDAS/NX、HS本构模型、FLAC软件等软件进行数值模拟分析，李文琛得出桩基成孔与混凝土浇筑施工对临近地铁盾构隧道以竖向沉降为主；魏洋洋得出盾构推进对周围土层影响规律，拟合出相关土体水平位移的经验公式等结论。周晓夫、董必成等对桥台设置与桥台填土等对隧道影响进行了相关研究[3-4]，采用FLAC3D有限差分软件、GOODMAN单元、HSS模型进行数值模拟，周晓夫得出竖向变形量对承台与盾构之间的竖向净距非常敏感，横向由于基坑开挖均采用了支撑，影响不敏感；董必成得出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等结论。

本文以彩梅立交桥台填土以及相应桩基施工方案对现有地铁运营线安全评估分析项目为依据，采用有限元软件PLAXIS3D进行了数值分析，考虑施工工艺以及相应步骤对隧道的影响，以便为类似项目提供理论依据和参考。

1 工程概况

深圳市彩梅立交为市区与关外交通转换的重要节点。彩梅立交全线共新建主线桥1座，匝道桥5座，通道4座。根据现有设计方案，彩梅立交K1+105（梅林关方向）桥台填土区域在地铁10号线和联络线正上方。桥头路基填土最大高2.53m，长8.8m，宽27.45m，其中所涉及的10号线隧道埋深约21.2m，上下行隧道净距5m，路基填土中心与10号线间距，对于左线约20.05m，右线约8.93m，联络线约18.5m，填土面中心与联络线隧道净距约14.4m。填土材料为人工填土，容重不大于20kN/m3。

K1+105（梅林关方向）桥台桩基分别位于10号线、联络线隧道之间，其与10号线主线隧道最小净间距1.75m，与联络线最小净间距4.25m，见图1。

图1 K1+105（梅林关方向）桥台桩基与隧道位置关系图（单位：cm）

K1+105（梅林关方向）邻近地铁10号线主线隧道及采用矿山法施工，隧道宽6.2m，高6.75m，联络线采用矿山法施工，隧道宽6.86m，高6.92m。初期支护为C25混凝土，二衬为C35混凝土。

2 《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》相关规定

2.1 地铁运营安全保护区范围划分

本工程项目符合地铁运营线路及周边的特定范围内设置的保护区域，具体为：地下车站与隧道结构外边线外侧50m范围内；地面、高架车站及区间结构外边线外侧30m范围内；出入口、通风亭、变电站等建筑物、构筑物外边线外侧10m范围内。

2.2 地铁建设规划控制区

地铁线路交由深圳市地铁集团做前期预、工可研起，至工程建成施工单位向我司正式移交期间的地铁建设线路及周边的特定范围内设置的控制和保护区域，其区域范围按照2.1条执行。本工程项目可根据2.2.1-2.2.2条相关控制指标执行。

2.2.1 车站及隧道结构安全控制指标

车站及隧道的水平位移、竖向位移、径向收敛、变形缝差异变形、隧道轴线变形曲率半径、隧道变形相对变曲、车站及隧道结构外壁附加荷载、车站及隧道振动速度等指标的控制值按下式确定：

式中：ri为项目允许值；Ki为安全控制系数，Ki≤1，具体值由技术管理中心根据地铁设施健康档案、隧道形态、地铁服役现况和评估报告确定；Ri为控制值（具体数值参见表1）。

表1 车站及隧道结构安全控制指标标准值

2.2.2 轨道安全控制指标

运营线路轨道静态尺寸容许变形值：轨道高低、轨向变形小于4mm/10m；两轨道横向高差小于4mm；三角坑高低差小于4mm/18m；扭曲变形小于4mm/6.25m；轨距+3mm，-2mm；道床脱空量不大于5mm。

3 有限元模型建立

3.1 有限元模型建立参数选定

（1）材料模型及计算参数

本次模拟分析均采用线弹性体分析，不考虑材料及接触非线性（对于弹性分析本文选用小应变硬化土模型（HSS）模拟），结构与土体连接采用Goodman单元，其中衬砌结构、围护桩采用板单元，根据地勘报告与相关经验确定土层计算参数见表2。

（2）结构计算参数

图2 为本工程的三维模型建立，本工程中地铁隧道初衬衬砌混凝土强度等级C25，二衬钢筋混凝土强度C35，结构计算参数直接根据《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）确定。

图2 有限元模型透视图

（3）有限元模型

边界约束对模型影响较大，为保证边界约束更接近实际受力情况，沿隧道纵横向均考虑50m外伸，另外模型平面尺寸选用200m（长）×100m（宽）。根据现场勘查资料（深圳地铁10号线），场地内下卧风化混合岩，对于微风化压缩性很小，模型中不予考虑，因此模型底取到微风化顶，即高度取40m。

（4）模拟过程

有限元数值模拟所对应现场施工步骤充分考虑实际施工工况及步骤，见表3。

表2 地层计算参数表

表3 有限元数值模拟步骤

4 计算结果分析

本计算结果重点对桩基成孔及台后填土两个施工阶段进行分析（为减小桩基施工对隧道影响，经方案论证最终选用单排桩方案）。其中K1+105（梅林关方向）桥台填土与桩基施工对地铁10号线及联络线影响模拟结果图3、图4分别为桩基成孔施工完成时隧道竖向变形及水平变形云图，由图可知，对于隧道最大水平向和竖向变形量：左线分别为0.018mm及0.035mm；右线分别0.09mm及0.079mm；联络线0.048mm及0.064mm。

图3 桩基成孔施工完成时隧道竖向变形云图

图4 桩基成孔施工完成时隧道水平位移云图

图5 、图6分别为桥头填土施工完成时隧道竖向变形及水平变形云图，由图可知，对于隧道最大水平向和竖向变形量：左线分别为0.120mm及0.140mm；右线分别为为0.161mm及0.251mm；联络线0.162mm及0.189mm。

综上所述对于桩基成孔及台后填土等不同工况，隧道变形形态相近，对于竖向和水平向位移满足《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》对位移的要求。

图5 桥头填土及桥梁结构完成时隧道竖向变形云图

图6 桥头填土施工完成时隧道水平变形云图

5 结论

（1）理论分析结果分析

通过理论分析与数值模拟，K1+105（梅林关方向）桥台填土引起的地铁10号线隧道最大附加应力为3.69kPa，隧道水平位移与竖向变形均小于1mm，隧道附加应力与变形均满足地铁安保控制要求。在该区域桥台填土与桥梁桩基础正常施工条件下，地铁10号线区间隧道与联络线隧道均处于安全状态。

（2）施工方案建议

由于有限元模拟无法精准模拟其施工过程中的振动及施工质量偏差等因素，为保证施工安全做如下建议。a.在K1+105桥台桩基施工过程中建议采用注浆减阻或采用深圳地区常见的“搓管桩”施工工法，同时需埋置二次注浆孔，出现承载力不足或者地面竖向变形较大时，及时补救；b.K1+105台后填土存在素填土、黏土等，为减少工后沉降，尤其为减少地铁隧道顶部附加应力影响，建议台后尽量采用轻质材料，且分层施工；c.并在施工过程中加强监测，尤其要加强地铁隧道顶部以及侧壁的位移，发现位移偏大时及时停工，分析原因并处理后方可继续施工。