林峰

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063

近年來在城市建設(shè)中新建隧道與既有地鐵隧道近距離交叉或并行施工現(xiàn)象日漸普遍［1-3］。新建隧道開挖將引起先行或既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊土體應(yīng)力重分布，會增加隧道施工過程的復(fù)雜性，甚至嚴(yán)重影響近接地鐵隧道的安全和正常運營。

本文基于杭州文一西路提升改造工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用有限元軟件ABAQUS 建立深基坑近接既有地鐵隧道三維數(shù)值模型，分析各影響因素對地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，并利用灰色關(guān)聯(lián)理論對各影響因素進(jìn)行敏感性分析。研究結(jié)果可為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

文一西路提升改造工程線路全長7.28 km，其中隧道段全長6.165 km，采用明挖法進(jìn)行隧道基坑施工［4］。該隧道與近接的機場快線地鐵隧道同時施工。機場快線地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工。文一西路隧道與地鐵隧道存在上穿、并行等多種情況。本文選擇隧道并行段K5+640處進(jìn)行變形影響因素研究。

文一西路隧道基坑與機場快線地鐵隧道之間的土體采用高壓旋噴樁加固，并行段地鐵隧道離基坑最小距離僅4.05 m。該段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚800 mm 的地下連續(xù)墻+一道混凝土支撐+三道鋼支撐。將監(jiān)測裝置提前布置在三道鋼支撐上。K5+640 處深基坑和地鐵隧道的相對位置見圖1。并行段沿基坑及其周邊布置多個監(jiān)測點，對基坑的水平位移、支撐軸力、地表沉降等進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 K5+640處基坑和地鐵隧道的相對位置

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

模型尺寸為120 m（長）× 36 m（寬）× 50 m（高），見圖2。土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐、地鐵隧道管片等采用線彈性本構(gòu)模型［5-6］。模型有90 764個節(jié)點，81 892個單元。土層參數(shù)［7］見表1。

表1 土層參數(shù)

圖2 模型及網(wǎng)格劃分

2.2 施工步設(shè)置（表2）

表2 模擬施工步

2.3 模型驗證

依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的地表沉降、支撐軸力和地鐵右線隧道沉降對模型計算結(jié)果進(jìn)行驗證。

基坑兩側(cè)地表沉降模擬值與監(jiān)測值對比見圖3?？芍夯觾蓚?cè)地表沉降模擬與監(jiān)測曲線均呈凹槽形，兩者吻合較好?；颖眰?cè)最大沉降模擬值、監(jiān)測值分別為7.72、7.88 mm，相差2.07%，最大沉降出現(xiàn)位置一致；基坑南側(cè)最大沉降模擬值、監(jiān)測值分別為15.79、15.03 mm，相差4.81%，最大沉降出現(xiàn)位置一致。

圖3 基坑兩側(cè)地表沉降模擬值與監(jiān)測值對比

三道鋼支撐軸力模擬值與監(jiān)測值對比見圖4?？芍弘S著施工的進(jìn)行，鋼支撐軸力基本呈線性增長。鋼支撐軸力模擬與監(jiān)測曲線變化趨勢一致。第一道鋼支撐（ZC-1）最大軸力模擬值、監(jiān)測值分別為2 387、2 447 kN，相差2.51%；第二道鋼支撐（ZC-2）最大軸力模擬值、監(jiān)測值分別為1 489、1 450 kN，相差2.62%；第三道鋼支撐（ZC-3）最大軸力模擬值、監(jiān)測值分別為1 660、1 554 kN，相差6.39%。

圖4 三道鋼支撐軸力模擬值與監(jiān)測值對比

地鐵右線隧道拱頂和拱底豎向位移模擬值和監(jiān)測值對比見圖5?？芍弘S著施工的進(jìn)行，拱頂沉降基本呈線性增長，拱底總體上先隆起后沉降。右線隧道拱頂和拱底豎向位移模擬與監(jiān)測曲線變化趨勢一致，兩者吻合較好。拱頂最大沉降模擬值、監(jiān)測值分別為5.84、6.27 mm，相差7.36%；拱底最大沉降模擬值、監(jiān)測值分別為0.94、1.04 mm，相差10.64%。

圖5 地鐵右線隧道拱頂和拱底豎向位移模擬值和監(jiān)測值對比

模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比表明，模型參數(shù)合理，模擬結(jié)果基本準(zhǔn)確。

3 計算結(jié)果分析

3.1 加固區(qū)寬度對地鐵隧道水平位移的影響

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵隧道間加固區(qū)（參見圖1）的工程性質(zhì)直接影響地下工程近接施工的擾動程度。由于地鐵右線隧道距基坑更近，取右線進(jìn)行分析。加固區(qū)寬度分別取0、1、2、3、4 m。地鐵右線隧道拱腰水平位移變化曲線見圖6?？芍翰煌庸虆^(qū)寬度下地鐵右線隧道拱腰水平位移變化規(guī)律基本一致，隧道拱腰水平位移與加固區(qū)寬度負(fù)相關(guān)。加固區(qū)寬度可根據(jù)現(xiàn)場實際情況、工程造價及可實施性綜合確定。

圖6 不同加固區(qū)寬度下地鐵右線隧道拱腰水平位移變化曲線

3.2 加固區(qū)強度對地鐵隧道水平位移的影響

加固區(qū)強度（水泥土彈性模量）分別取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8 GPa。地鐵右線隧道拱腰水平位移變化曲線見圖7。可知：不同加固區(qū)強度下地鐵右線隧道拱腰水平位移變化規(guī)律一致，隧道拱腰水平位移與加固區(qū)強度負(fù)相關(guān)。建議在工程造價允許的情況下盡量提高加固區(qū)強度。

圖7 不同加固區(qū)強度下地鐵右線隧道拱腰水平位移變化曲線

地鐵右線隧道拱頂水平位移變化規(guī)律與拱腰一致。

3.3 水平間距對地鐵隧道水平位移的影響

文一西路隧道基坑與地鐵隧道水平間距分別取4、7、10、13、16 m。不同水平間距下地鐵右線隧道拱腰水平位移變化曲線見圖8?？芍孩俨煌介g距下地鐵右線隧道拱腰水平位移均隨施工的進(jìn)行而增大，但是水平間距為4、7 m 時水平位移幾乎呈線性增長，而水平間距大于7 m 時水平位移在第10 步后增幅明顯變緩。②隧道拱腰水平位移與水平間距負(fù)相關(guān)。水平間距由4 m 增至7 m 時水平位移變化幅度較小。這是因為基坑和地鐵隧道之間設(shè)置了加固區(qū)，加固區(qū)減弱了位移的傳遞。建議線形線位有調(diào)整空間時，盡量拉大地鐵隧道與明挖基坑的間距。

圖8 不同水平間距下地鐵右線隧道拱腰水平位移變化曲線

4 隧道水平位移對各影響因素的敏感性

影響隧道水平位移的因素包括加固區(qū)寬度、加固區(qū)水泥土彈性模量和基坑與地鐵隧道的水平間距。為探究各因素的影響程度，采用灰色關(guān)聯(lián)理論［8］進(jìn)行分析。

4.1 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計算方法

1）確定比較列和參考列矩陣

將自變量矩陣作為比較列矩陣X，將因變量矩陣作為參考列矩陣Y。其表達(dá)式分別為

2）矩陣去量綱化

采用區(qū)間相對值化方法對矩陣X、Y去量綱化。去量綱化后的矩陣為X'、Y'，其一般項的計算式分別為

3）計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

對X'、Y'進(jìn)行差異化處理得到矩陣之差的絕對值序列Δ［9］，其一般項Δij的計算式為

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)V的一般項Vij的計算式為

式中：Δmax、Δmin分別為Δij的最大值和最小值；λ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

式中：n為第i個變量對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)據(jù)量。

4.2 水平變形對各影響因素敏感性的計算分析

將地鐵隧道拱腰最大水平位移作為參考列矩陣，選取加固區(qū)寬度d、加固區(qū)強度E、水平間距L作為比較列矩陣。S（d）、S（E）、S（L）分別為以d、E、L為變量時所對應(yīng)的地鐵隧道拱腰最大水平位移，代入式（1）、式（2），得到

對影響因素矩陣X和對應(yīng)的地鐵隧道拱腰最大水平位移矩陣Y按照式（3）和式（4）去量綱化，得到

代入式（5），得到矩陣之差的絕對值序列Δ為

根據(jù)式（6）求得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)V為

地鐵隧道拱腰最大水平位移對各影響因素的敏感性排序為加固區(qū)寬度＞ 加固區(qū)強度＞ 水平間距，說明地鐵隧道拱腰最大水平位移對加固區(qū)寬度和強度更敏感。

5 結(jié)論

本文基于杭州文一西路提升改造工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用有限元軟件ABAQUS 建立了深基坑近接既有地鐵隧道的三維數(shù)值模型，分析了加固區(qū)寬度、加固區(qū)強度、近接水平間距對近接地鐵隧道水平位移的影響。主要結(jié)論如下：

1）深基坑近接既有地鐵隧道施工時，基坑兩側(cè)地表沉降的模擬與監(jiān)測曲線均呈凹槽形；隨著施工的進(jìn)行，鋼支撐軸力和拱頂沉降基本呈線性增長，拱底總體上先隆起后沉降。各項模擬值與監(jiān)測值吻合較好，說明參數(shù)選擇合理，模型構(gòu)建較準(zhǔn)確。

2）地鐵隧道水平位移與加固區(qū)寬度、加固區(qū)強度和水平間距均負(fù)相關(guān)。水平間距由4 m 增至7 m 時拱腰水平位移變化幅度較小，這是因為基坑與地鐵隧道間的加固區(qū)減弱了位移的傳遞。

3）地鐵隧道拱腰最大水平位移對各影響因素的敏感性排序為加固區(qū)寬度＞ 加固區(qū)強度＞ 水平間距，說明地鐵隧道拱腰水平位移對加固區(qū)寬度和強度更敏感。