地铁隧道盾构开挖对沿线既有建构筑物的影响分析

赵泽龙

(中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院，湖北武汉 430063)

0 引言

随着我国城市化进程的快速推进，城市人口数量急剧增长，有限的城市地面空间已不能适应城市发展所需，城市交通由地上交通逐渐转化为地下交通，城市轨道交通建设也因此进入快速发展时期。因城市建设时序的不同，地铁区间盾构下穿既有建构筑物的情况难以避免。在地铁区间结构施工过程中，盾构卸土会打破周围土体的受力平衡状态，使得隧道周围的土体发生沉降和侧向变形，这会直接导致邻近既有建构筑物产生相应的水平和竖向位移，进而影响其正常使用。因此，如何保证在邻近既有建构筑物安全使用的前提下，确保地铁区间盾构顺利下穿施工，对推动城市轨道交通的发展具有重要意义。

1 工程概况及建模方案

1.1 工程方案

本文基于合肥地铁3 号线南延线工程青年路站—云谷路站区间下穿河道两岸护堤桩项目展开研究。引江济淮河道宽约60m，设计洪水水位10.972m，最高通航水位10.187m，设计输出水位6.528m，穿越河道里程范围为J18+291.3—J18+512.5，该区段河道沿江淮大道侧设护堤桩，桩长11.9m，桩底标高-4.2m，桩与桩之间以顶部冠梁连接[1]。区间隧道采用盾构法施工，隧道外轮廓与北侧护堤桩竖向净距7.8m，南侧护堤桩竖向净距8.78m，如图1 所示。

图1 区间隧道下穿引江济淮河道示意图

1.2 模型假设及地层力学参数

第一，引江济淮河道护堤桩已投入使用多年，故认为河堤的固结沉降及桩基础的工后沉降早已完成。

第二，建模范围内，认为各土层呈均质水平层状分布，且同一土层为各向同性，隧道衬砌的变形与受力均在弹性范围内。

第三，浅层地下水主要赋存于人工填土中，以上层滞水为主，水量微弱。基岩孔隙水主要赋存于残积层和岩石全风化带中。该场地无有效地下水，故有限元计算中忽略地下水的渗透、流动影响。

第四，不考虑盾构结束后土体的缓慢固结（工后沉降）和蠕变作用。

采用小应变土体硬化本构模型（HS-Small）对各土层进行模拟，土体计算参数如表1 所示。

表1 土体计算参数

1.3 有限元模型及分析步骤说明

现用三维数值模拟分析合肥地铁3 号线南延线盾构施工对引江济淮河道护堤桩的影响。此次数值模拟计算采用PLAXIS 3D 软件进行计算，采用15 节点三角形单元进行划分。合肥地铁3 号线南延线与引江济淮河道护堤桩之间的结构模型及网格剖分如图2、图3 所示。

图2 有限元网格剖分

图3 隐藏部分土体后的有限元网格剖分

模型计算步骤设计为：初始地应力平衡—激活既有桩基础、冠梁与竖向荷载—初始位移清零，隧道开挖，先开挖左线后开挖右线。计算过程中模拟盾构机掘进和管片拼装，以此充分模拟盾构掘进的施工过程。其施工模拟过程为：生成盾构机壳单元—开挖土体并施加掌子面压力—向前推进盾构机并生成管片单元—继续开挖土体并生成掌子面压力—继续推进盾构机并形成新的管片。不断重复此步骤直至开挖完成[2]。

2 计算结果分析

2.1 土体变形分析

盾构施工诱发土体竖向沉降，如图4 所示，左线与右线的中间正上方产生相对较大的竖向沉降，远离中心轴的地方竖向沉降较小。

图4 双洞贯通时土体变形趋势图(放大600 倍)

2.2 盾构施工对邻近护堤桩影响分析

计算表明，双线对称轴正上方1D(D 为隧道直径)范围的护堤桩的竖向沉降最大，其余位置的桩基础竖向沉降相对较小，距离盾构中心线越远竖向沉降越小。将盾构双线对称轴正上方的护堤桩编号为“0”，对北侧各桩依次进行编号，如图5 所示。由于北侧桩底距隧道顶的距离较小，故北侧的桩基础变形应该比南侧护堤桩大[3]。

图5 北侧护堤桩的编号

左线贯通、右线贯通时河堤土体横断面竖向沉降曲线如图6 所示：左线贯通时，左线中心轴正上方土体的竖向沉降最大，达到-3.24mm；右线贯通后，双线对称轴正上方土体的竖向沉降最大，达到-6.27mm。

图6 盾构诱发引江济淮河堤土体横断面的竖向沉降

合肥地铁3 号线南延线盾构施工对引江济淮河道北侧护堤桩的位移影响如表2、表3 所示：盾构使北侧护堤桩产生的竖向沉降最大值为-6.47mm，最大差异沉降率为0.233‰。同样可以得出南侧护堤桩的变形数据，如下：盾构使南侧护堤桩产生的竖向沉降最大值为-5.03mm，最大差异沉降率为0.206‰。鉴于南侧护堤桩的位移小于北侧护堤桩，故未列出南侧护堤桩的详细数据。

表2 盾构施工诱发引江济淮河道北侧护堤桩的沉降汇总表

表3 双线贯通时引江济淮河道北侧护堤桩的沉降汇总表

计算表明，北侧护堤桩在左线贯通、双线贯通时的最大侧向位移分别为0.78mm、1.173mm，南侧护堤桩在左线贯通、双线贯通时的最大侧向位移分别为1.26mm、1.86mm，位置位于双线对称轴正上方附近。由于北侧护堤桩的竖向沉降比南侧护堤桩的竖向沉降大，故其侧向位移比南侧护堤桩略小。从总体上看，南、北侧护堤桩的侧向位移值均较小。

3 结论

从计算模拟结果可见，区间隧道施工对评估范围内建构筑物（引江济淮河道两岸护堤桩）造成的沉降变化影响不大，具体表现为：

第一，护堤桩坡顶最大沉降值为-6.47mm。

第二，护堤桩坡顶最大水平位移值为1.86mm。

综上所述，本文基于合肥地铁3 号线南延线工程，针对地铁隧道盾构开挖对沿线既有建构筑物的影响分析，能够为类似的区间下穿工程提供有效分析手段和重要依据。