邻近岩土工程条件下地铁隧道的保护标准
摘 要: 针对基坑、建筑与隧道的距离、基坑的尺寸、建筑的高低和其桩基长短这几个因素对地铁隧道的变形的影响大小各有不同，在此通过有限元参数模拟得出其中的控制因素，进而得出保护标准，以期为今后类似工程提供指导。
关键词: 隧道变形，基坑，建筑荷载，保护标准
0 引言
地铁隧道附近的岩土工程活动会造成隧道变形，特别是处于软弱地层中的隧道，变形过大可能导致隧道渗漏、衬砌结构和道面结构层开裂等问题［1，2］。研究表明距离地铁隧道过近进行基坑开挖会引起隧道的较大变形［3，4］，且隧道附近的建筑物荷载会对隧道变形造成一定影响［5］。但这些研究都未总结出保证隧道变形不至过大的控制标准。
本文就处于饱和软土地区，以隧道所处土层易受新建工程扰动的苏州地铁隧道为计算模型，对基坑开挖和建筑荷载对已建隧道的变形进行参数分析，以确定其控制因素与保护标准，以供今后类似工程参考。
1 邻近基坑开挖隧道保护标准
1． 1 模型建立
从基坑开挖的宽度、深度及基坑至隧道的距离三个方面来研究邻近基坑开挖隧道保护标准。二维有限元分析模型见图 1。尺寸为 200 m ×80 m，基坑围护结构用梁单元模拟; 围护结构与土体之间设置接触面以考虑土与结构共同作用。坑底工程桩采用梁单元模拟，桩顶标高 －15 m，桩长 25 m，直径 0． 5 m。隧道管片采用梁单元模拟，外径 6． 2 m，内径 5． 5 m，厚度 0． 35 m。模型共设7 层土，厚度按照勘察实际取值。分析采用控制变量法，以宽度40 m、深度 15 m、基坑至隧道距离 30 m 为标准，每次变化其中一个参数，分两组对基坑宽度、深度与基坑至隧道的距离对隧道变形的影响进行分析。组1 变化基坑深度、组2 变化基坑至隧道的距离。
1． 2 模型参数取值
本次模拟土层采用 Mohr-Coulomb 模型，各层土厚度及模型参数按照现场勘察结果取值。根据工程实际，模型中管片、围护墙、桩基和内支撑采用弹性模型模拟，管片和桩基采用 C50 混凝土参数，围护墙和内支撑按 C30 混凝土参数取值，见表 1。
1． 3 计算工况
模拟计算工况如下: Step1: 计算场地土的初始地应力和初始孔隙水压力; Step2: 开挖形成隧道，围护墙和桩基施工; Step3: 第 1 步开挖至 －2 m; Step4: 施工第 1 道支撑，进行第 2 步开挖至 － 6 m;Step5: 施工第 2 道支撑，进行第 3 步开挖至 － 9 m; Step6: 施工第 3道支撑，进行第 4 步开挖至 － 12 m; Step7: 施工第 4 道支撑，进行第 5 步开挖至 －15 m，完成。
1． 4 模拟结果分析
邻近基坑开挖隧道保护标准分析分为两组。首先分析组 1的计算结果( 变化基坑深度) ，由图 2 可见，隧道的水平位移数值不大; 竖直方向的隆起量则是先增大后减小，总体变化不大，变形在 10 mm 左右。可见，开挖深度可以不列为关键控制参数。
分析组 2 的计算结果( 变化基坑与隧道间距离) ，由图 3 可见，随着基坑至隧道距离的增大，隧道的水平偏位和竖向隆起量都逐渐减小，数值不大; 对于隧道隆起量，建议基坑至隧道的距离应大于 30 m，以减小卸荷效应对隧道产生的影响，此时隧道的隆起量为 8． 78 mm。可见，基坑与隧道间的距离是控制隧道变形的关键控制参数，其标准为间距大于 30 m( 5 倍隧道直径)。
2 邻近新建建筑隧道保护标准
2． 1 模型建立
建筑物施工对地铁隧道的影响主要从建筑物与隧道距离，建筑荷载大小这两个方面因素进行考虑。模型的总体尺寸为200 m ×80 m，建筑物底板用梁单元模拟，厚度 1 m。底板下部桩基采用梁单元，桩顶标高 0 m，桩长 36 m，直径 0． 5 m。隧道管片采用梁单元，外径 6． 2 m，内径 5． 5 m，厚度 0． 35 m，见图 4。
分析同样采用控制变量法，以建筑与隧道距离 30 m、建筑物荷载 120 kN/m2、桩长度 36 m 为标准，每次变化其中一个参数，分两组对建筑与隧道距离、建筑物荷载与桩长度对隧道变形的影响进行分析。组 1 变化建筑与隧道距离、组 2 变化建筑物荷载。模型所用参数同 1． 2，本模型中建筑物底板参数取用表 1 中围护墙的参数。
2． 2 计算工况
模拟计算工况如下:Step1: 计算场地的初始地应力和初始孔隙水压力; Step2: 开挖形成隧道; Step3: 建筑物的桩基和底板施工; Step4: 建筑物加载。
2． 3 计算结果分析
邻近新建建筑隧道保护标准分析分为两组，首先分析组 1 的计算结果( 变化建筑与隧道间距) 。由图 5 可见，隧道的水平位移较小; 隧道竖向沉降随距离的增加而急剧减小，其数值要远比水平偏移量大。为减小隧道的变形，建筑物至隧道的距离应大于 30 m，此时隧道的沉降量为 8． 9 mm。建筑与隧道间距是控制隧道变形的关键控制参数，其标准为间距大于 30 m( 5 倍隧道直径) 。分析组 2 的计算结果( 变化建筑荷载) ，由图 6 可见，水平位移较小; 随着建筑物荷载的增加，隧道竖直沉降近似呈线性增加，沉降较大。从控制隧道变形的角度考虑，建筑荷载即建筑高度也是控制隧道变形的关键控制参数，其标准为荷载小于120 kN/m2( 10 层以内) 。
3 总结及保护标准
从计算结果及其分析中可以得到以下 3 个结论:1) 隧道水平位移受基坑尺寸与距隧道距离影响均较小，最大值在 10 mm 左右; 隧道隆起量受基坑开挖基坑离隧道距离影响较大，建议将距离控制在 30 m 以外，而基坑尺寸对隧道隆起影响不大。2) 隧道水平位移受建筑物与隧道距离、建筑物高度( 建筑荷载) 影响均较小，最大值在 12 mm 左右; 隧道隆起量受建筑离隧道距离影响和建筑高度( 荷载) 影响较大，建议将距离控制在 30 m( 5 倍隧道直径) 以外，同时建筑物荷载控制在 120 kN/m2( 10 层)以内。3) 对于在已建成软土地区地铁隧道邻近进行基坑开挖和楼房建造时，需要控制的是基坑与建筑物距离隧道的距离，标准为不小于 5 倍隧道直径; 对于隧道邻近建筑物的高度，一般控制在10 层以内，以避免隧道出现过大变形。
参考文献:
［1］ 阳军生，刘宝琛． 城市隧道施工引起的地表沉降及变形［M］． 北京: 中国铁道出版社，2002．
［2］ 叶耀东． 软土地区运营地铁盾构隧道结构变形及健康诊断方法研究［D］． 上海: 同济大学，2007．
［3］ 孔令荣，崔永高，隋海波． 基坑开挖对邻近地铁变形的影响分析［J］． 工程勘察，2010( 6) :15-20．
［4］ 况龙川，李智敏，殷宗泽． 地下工程施工影响地铁隧道的实测分析［J］． 清华大学学报( 自然科学版) ，2000，40( S1) :79-82．
［5］ 刘 浩． 既有隧道上新建高层建筑对其影响的测试分析［D］． 长沙: 中南大学，2009．
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