近接工程施工对地铁盾构隧道结构的影响分析.pdf

第 54 卷第 23 期 2023 年 12 月Vol.54 No.23 Dec.20232825 建 筑 技 术 Architecture Technology近接工程施工对地铁盾构隧道结构的影响分析邓金塘1，宋川云2，钟有信2，林杭3（1.中铁隧道局集团有限公司，511458，广州；2.南宁轨道交通集团有限责任公司，530029，南宁；3.中南大学资源与安全工程学院，410083，长沙）摘要：近接工程施工易对既有地铁隧道结构造成扰动，甚至导致结构失效。依托南宁市民族大道北侧山体公园路网完善工程，通过数值模拟方法分析了近接工程施工对地铁盾构隧道的影响。首先，构建了三维地层 结构模型，按照道路施工步序，预测施工引起的轨道交通 1 号线区间隧道的附加变形及附加内力；其次，采取二维荷载 结构模型，选取轨道交通结构典型截面进行内力分析及承载力验算，进而分析轨道交通结构的安全性。结果表明：土体施工主要引起下方隧道管片的竖向变形；土体开挖后，管片出现朝向卸载区域的变形；土体回填、道路平整后，管片变形略有减小；轨道交通结构安全性验算证明在正常施工条件下，隧道结构处于安全状态。关键词：近接施工；盾构隧道；管片变形；数值模拟中图分类号：TU 457 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)23-2825-03ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF ADJACENT CONSTRUCTION ON THE STRUCTURE OF METRO SHIELD TUNNELDENG Jin-tang1,SONG Chuan-yun2,ZHONG You-xin2,LIN Hang3(1.China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,511458,Guangzhou,China;2.Nanning Rail Transit Group Co.,Ltd.,530029,Nanning,China;3.School of Resources and Safety Engineering,Central South University,410083,Changsha,China)Abstract:The construction of adjacent projects is prone to cause external loads and disturbances to existing structures,leading to premature structural failure.The impact analysis of the construction of adjacent projects on the metro shield tunnel was analyzed by numerical simulation method based on the improvement project of the road network of the Mountain Park on the north of the National Avenue in Nanning Province.The study first built a three-dimensional stratigraphic-structural model to predict the additional deformation and internal forces of the tunnel in Line 1 interval caused by the construction of adjacent project according to the road construction step sequence.Then,a two-dimensional load-structure model was established to carry out internal force analysis and bearing capacity verification based on the typical cross-section of the rail transit structure for the safety examination of the rail transit structure.The results indicate that the adjacent construction mainly causes vertical deformation of the tunnel tube sheet below.After soil excavation,the tube sheet showed deformation toward the unloading area,while it slightly decreased after soil backfilling.Besides,the structural safety examination of the rail transit structure demonstrated that the tunnel structure is safe under normal construction conditions.Keywords:adjacent construction;shield tunnel;segment deformation;numerical simulation随着城市规模的不断扩大，城市人口也大幅增加，交通拥堵等弊病日渐显著。轨道交通作为缓解城市交通压力的有效方法之一，已在大多数中心城市得以落实。同时，城市基础设施的不断增加和投入使用，导致邻近既有结构物（如地铁车站或区间）进行施工建设的现象越来越普遍，既有结构物近接工程的施工扰动问题也更加突出。从力学机理上分析，当近接工程施工时，邻近结构物受力状态会受到扰动，势必造成结构地应力的重分布，宏观上表现为结构产生相应的内力和变形。若处理不当，则会引起邻近结构大变形和失稳，影响其正常使用，甚至导致安全事故。为保证隧道结构和地铁运营的安全，本研究采用数值模拟方法对近接施工对南宁轨道交通 1 号线运营地铁区间盾构隧道的影响展开分析，研究结果可为类似工程问题提供一定的参考依据与经验指导。1工程概况本工程项目二为一条南北走向的城市支路凤岭规划路，起点接民族大道，向北下穿凤岭边坡，终点接枫林路。凤岭规划路在 ZSK26+669.4 里程处上收稿日期：20230907作者简介：邓金塘（1980），男，湖南邵阳人，高级工程师，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 23 期2826跨凤岭站 埌东客运站盾构区间左线（管片顶标高95.020 m，埋深约 18.2 m），分别进行约 1.5 m 深的路基土换填、悬臂式挡墙（1.85.0 m）、扶壁式挡墙（5.08.7 m）、挖方填方边坡（高约 12.6 m）、明挖法矩形双跨隧道（底板埋深 8.712 m）等施工，位置关系如图 1 所示。113.00018 1286 0006 00033 00045 0006 00050 000盾构区间左线地铁50 m 范围 保护线盾构区间右线民族大道凤岭 19 号路延长线现状地面线图 1区间隧道与桥涵相对位置关系CJJ/T 2022013城市轨道交通结构安全保护技术规范和南宁市城市轨道交通管理条例明确规定地下车站与隧道外侧 50 m 范围内为轨道交通保护区。而本工程项目二进入南宁轨道交通1号线凤岭站 埌东客运站区间隧道保护区范围内，工程的施工必定对区间隧道产生一定的影响，因此，需对区间隧道进行道路施工期间的影响分析和安全评估，保证隧道结构和轨道交通 1 号线运营的安全。施工现场岩土场地内的岩土层主要为填土、淤泥质土、粉质粘土、强风化泥岩、砂岩等，见表 1。表 1各岩土层主要物理力学指标土层天然 含水 率/%堆积密度/（kN/m3）孔隙比压缩模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/（）承载力基本容许值/kPa素填土18.01.200715杂填土17.81.300610淤泥质土26.119.51.050411粉质粘土23.620.00.66610.51246210强风化泥岩砂岩互层22.320.10.63614.117353002施工影响范围分析2.1三维地质模型构建目前，轨道交通 1 号线已投入运营，而填挖方工程将破坏地层原有的平衡状态，引起盾构区间周边土体向回弹，工程施工期间需保证轨道交通 1 号线凤岭站 埌东客运站区间运营安全。本次研究对象为凤岭站 埌东客运站盾构区间，主要研究工作为计算并预测本工程对既有轨道交通 1号线结构引起的附加变形及内力变化，评估对其安全性的影响。通过数值模拟方法构建计算模型，包括217 690 个单元，39 576 个节点。岩土体采用摩尔 库仑本构模型。沿轨道交通 1号线隧沿垂直于轨道交通 1 号线方向取 129 m，模型高为 40 m，保证盾构区间距离模型底大于 2 倍洞径，保证充分回弹，避免边界效应。模型从上到下依次划分为 4 个土层，分别为填土层、泥岩、粉砂质泥岩层、粉砂岩。对于三维地层 结构有限元模型，由地表约束计算土体自重作用下的初始地应力场，对应于工况CS1。将土体位移场清零，模拟施工过程。按照施工顺序（表 2）逐步开挖。施工荷载按照 10 kPa 考虑，以面荷载模拟。各施工步骤计算模型如图 2 所示。表 2施工阶段定义步序说明CS1初始地应力平衡，位移清零，模拟现状CS2土方开挖CS3施作箱涵CS4土体回填，平整道路（b）（c）（a）129 m40 m150 m（d）填方恢复路面盾构区间左线盾构区间右线挡墙涵洞图 2各施工步骤计算模型（a）初始地应力平衡；（b）土方开挖；（c）施作箱涵；（d）回填土方，施工挡墙 2.2数值计算结果分析（1）初始地应力平衡。采用自重应力场构造初始应力云图发现，随着模型深度的增加，对应的应力也不断增大。（2）土方开挖。该模型在土方开挖后，施工处表面出现明显变形，最大变形量为 6.11 mm。而盾构隧道左侧管片出现朝向土体卸载区的变形，最大总变形为 1.38 mm，右侧无明显变形。土方开挖后，岩体应力得到释放，产生一定程度的变形和应力重分布。管片变形以竖向变形为主，管片隆起最大值为2023 年 12 月2827邓金塘，等：近接工程施工对地铁盾构隧道结构的影响分析1.1 mm，水平变形最大值为 0.82 mm，沿隧道方向变形可忽略。（3）施作箱涵。本阶段变形相比土方开挖阶段变形基本维持不变。（4）回填土方，平整道路。土体回填后管片变形略有减小，最终总变形为 1.82 mm，其中竖向变形为 1.1 mm，水平变形为 0.72 mm。2.3轨道交通结构安全性验算本工程对邻近区间变形有一定影响，为了进一步研究施工对结构安全的影响，采用 MIDAS 进行二维分析。在施加水土压力、自重、地面可变荷载的基础上，对节点施加之前计算得到的位移以核算截面强度与裂缝，内力取各水位工况包络值进行分析。经对比分析，管片水位位于隧道下方时为最不利工况。将低水位下荷载基本组合与节点位移施加至管片结构，得到结构内力如图 3 所示。（a）（b）（c）172.29 kNm107.36 kN1 181.72 kN1 982.2 kN269.8 kNm187.45 kN图 3结构内力示意（a）弯矩图；（b）剪力图；（c）轴力图从图 3 可以看出，由于管片位移较小（1.4 mm），管片内力基本对称。弯矩最大值为 269.8 kNm，剪力最大值为 187.45 kN，轴力最大值为 1 982.2 kN，控制截面位于拱顶，其裂缝、强度计算结果见表 3。表 3控制截面裂缝和强度计算结果工况弯矩最大值 M（基本组合）/（kN m）对应于 M的强度（强度组合）/kN配筋管片类型弯矩最大值 M（准永久组合）/（kN m）对应于 M的强度（准永久组合）/kN裂缝/mm荷载+位移269133.8212 18 X32071 0250.1973结论通过建立三维地层 结构模型和二维荷载 结构模型，对近接工程施工条件下的既有轨道交通结构进行了附加变形和内力计算和分析，得到如下结论。（1）土体开挖后，管片出现朝向卸载区域的变形，最大总变形为1.38 mm，其中管片竖向变形（隆起）最大值为 1.1 mm，水平变形最大值为 0.82 mm。沿隧道方向的变形可忽略。（2）土体回填、道路平整后，管片变形略有减小，最终总变形为 1.29 mm，其中竖向变形为 1.1 mm，水平变形为 0.72 mm，沿隧道方向的变形可忽略。（3）轨道交通结构安全性验算表明：原设计配筋满足承载力及裂缝要求，在正常施工条件下，轨道交通结构是安全的。（4）挖填方工程将使管片受到附加荷载，开挖、回填时应分层、分块回填，同时加强对管片的监测，尤其应加强对区间隧道左线 ZSK26+670 前后 10 m 范围内管片的监测，观察裂缝宽度变化。严格执行三级预警制度，对出现的问题及时上报并处理。参考文献1 LIU B H,LIN H,CHEN Y F,et al.Deformation stability response of adjacent subway tunnels considering excavation and support of foundation pitJ.Lithosphere,2022.2 蒋岿松.成都地铁近接工程建设安全风险分析及应对措施的研究 D.成都:西南交通大学,2019.3 薛彦琪,张可能,胡晓军.深基坑开挖卸荷对下卧既有地铁隧道的影响分析 J.工程地质学报,2016,24(6):12301239.4 施有志,华建兵,连宇新,等.地铁深基坑施工扰动下邻近管线安全评价及保护措施 J.工程地质学报,2018,26(4):10431053.5 马坤.近接工程对既有高铁隧道的影响及监测方法研究 D.北京:北京科技大学,2012.6 XU C J,YANG K F,FAN X Z,et al.Numerical investigation on instability of buildings caused by adjacent deep excavationJ.Journal 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