1、开洞地基对深埋复合式 TBM 区间隧道稳定性影响分析摘要：开洞地基对地下结构的安全性及经济性有着重要影响，需对其进行专项论证。本文通过理论计算和数值模拟分析北碚区城南新区某房地产项目对轨道六号线的影响，研究表明隧道未产生规范不容许变形，复合式 TBM 区间隧道衬砌的非接头处配筋及裂缝满足规范要求，接头处螺栓应力小于螺栓的屈服强度，管片接头安全，即衬砌能满足承载力要求。该项目的修建不影响隧道整体稳定性。本文采用的分析方法可以作为开洞地基对地下洞室安全影响评价的参考。 关键词：开洞地基，地下结构，安全影响评价 中图分类号： TU47 文献标识码： A 1 引言 随着地面与地下空间的综合开发利用，地
2、面高层建筑与地下洞室的冲突也日愈突出。地下空间的大量开发利用制约着旧城改造和地面工程建设，高层建筑加载易导致地下结构产生明显的应力重分布，可能对地基稳定性、建筑结构和地下结构的安全性和经济性产生较大影响。因此，开洞地基1应考虑地面建筑物对地下洞室的影响，对其进行专门论证。 本文以北碚区城南新区某房地产项目为研究背景，探讨开洞地基对轨道交通六号线的影响。 2 项目背景 2.1 建筑工程概况 该项目由二栋住宅楼及地下车库组成。上部采用剪力墙结构，地下车库为框架结构，拟采用柱下独立基础。其中一号楼位于隧道正上方，基础埋深 3m，荷载大小为 2692424KPa，二号楼位于隧道保护线范围内，距轨道交通
3、六号线右线轴心最近距离为 5m，最远为 13.2m，基础埋深2m，荷载大小为 230.73046KPa。基底与隧洞顶板岩石厚度 22.6m。 图 1 该项目与轨道六号线平面位置关系 Fig.1 Plane position relations between the project with the rail line 6 2.2 隧道工程概况 轨道六号线区间隧道在该项目范围内为深埋复合式 TBM 断面，隧道围岩级别为级，左右隧道轴线相距 13m，截面为直径 6.0m 的圆形。衬砌截面横向由六块 300mm 厚的 C30 混凝土预制管片拼装形成一环，纵向按错缝拼装构成。管片纵向宽度为 1.5m
4、，管片标准环标准块箍筋按10170，管片标准环邻接块按 10146 双向配筋，管片标准环封顶块按 1096 双向配筋，纵向主筋按 1670250 双向配筋。主筋保护层厚：外侧 50mm，内侧 40mm；构造筋保护层不小于 20mm。 图 2 衬砌环构造图 Fig.2 Structure diagram of Lining ring 3 洞室地基稳定性理论计算 3.1 洞室地基稳定性判据2 （1）洞顶岩石塌落高度计算 i-以 B=5m 的围岩垂直均布压力为准，B 每增减 1m 时的围岩压力增减率，因 B=515m，取 i=0.1； S-围岩级别为 IV 级，S=4； -宽度影响系数,=1+i(B
5、-5) B-隧道宽度(m)，取 6.0m。 （2）洞室地基承载力验算 地面建筑地基反力传至洞顶上的附加荷载 Q，按下式计算： 洞顶岩柱自重及地面建筑地基反力产生的总下滑力： 洞顶岩柱侧面的摩阻力： 侧压力系数 洞顶岩柱侧面的粘结阻力： 时，稳定系数稳定，地面建筑地基反力对洞顶无附加荷载影响。 3.2 计算结果分析 （1）经计算：洞室岩石塌落高度=3.96m，顶板岩层厚度2.5，隧道属于深埋隧道。 （2）按照 1 号楼基础荷载图中最大均布荷载 2424KPa 考虑，经计算：洞室地基反力对洞顶无附加荷载影响。 4 隧道稳定性分析 4.1 模型建立及参数选取 通过对勘探点平面布置图、地质情况及荷载情
6、况的不利组合进行充分分析后，选择 1-1剖面，采用 ANSYS 软件对建筑物加载后的位移场及衬砌内力进行有限元分析。 修正惯用法将管环作为与管片具有相同刚度的刚性均一环来计算，利用抗弯刚度有效率 反映接头所引起的管环刚度降低，利用弯矩增减率 反映错缝拼装所产生的拼装效应。根据地下工程设计施工手册中的内容，复合管片按 =0.8，=0.2 计算。 因 TBM 施工对围岩损伤较小，故假定轨道六号线 TBM 区间隧道外界1.5m 为松动圈分布范围。松动圈范围的岩体参数按轨道交通六号线地勘提供的围岩参数的 0.7 倍进行折减。 表 1 模型采用参数取值表 Table1 the values of par
7、ameters of the model 岩 土 名 称 天然粘聚力 (KPa) 天然内摩擦角() 弹性模量 ( MPa) 泊松比 重度(KN/m3) 素填土 30 20 0.36 20.0 砂质泥岩 240 31.5 714 0.33 25.15 砂岩 600 32.8 1021 0.38 25.6 隧道衬砌 C30 砼 / / 24000 0.2 25 桩基础 C30 砼 / / 30000 0.2 25 松动圈 420 24.28 714.7 0.31 25.6 4.2 衬砌结构安全性判据3 （1）非接头处配筋验算公式 钢筋混凝土受弯构件的截面强度，应按下列公式计算： 受压区面积为矩形时
8、： 此时中性轴的位置按下式确定： 矩形和 T 形截面的受弯刚件，其截面应符合下式要求： 矩形和 T 形截面的受弯构件当仅配有箍筋时，其斜截面的抗剪强度应按下列公式结算： 矩形和 T 形截面的受弯构件，如能符合：，则不需要进行斜截面的抗剪强度计算，仅需要根据规范铁路隧道设计规范第 11.1.8 条规定，按构造要求配置箍筋。 （2）非接头处裂缝验算 钢筋混凝土受弯构件，其最大裂缝宽度可按下式计算： （3）接头处螺栓应力验算 预制钢筋混凝土管片在纵向、横向分别通过 2 个 M27 螺栓连接，M27螺栓机械性能等级为 6.8 级。通过惯用修正法进行修正，按受弯构件对接头处螺栓应力进行验算。 4.3 计
9、算结果分析 （1）隧道位移分析 图 3 建筑物加载引起的 Y 方向附加位移云图 图 4 建筑物加载引起的 X 方向附加位移云图 表 2 建筑物加载后隧道位移分析表 Y 方向附加位移（mm） X 方向附加位移（mm） 拱顶位移最大值 拱底位移最大值 右洞（两点间变化最大值） 右洞（两点间变化最大值） -6.4 -4.5 2.08 1.93 根据建筑加载后隧道位移计算隧道拱顶相对下沉和拱脚水平相对净空变化，计算结果如表 3 表 3 隧道极限相对位移（%） 拱顶相对下沉 水平相对净空变化 右洞 左洞 0.032 0.035 0.032 铁路隧道设计规范规定：围岩级别为，隧道埋深时，拱顶相对下沉小于
10、0.030.07，拱脚水平相对净空变化小于 0.200.70。经计算，隧洞拱顶相对下沉与水平相对净空变化均小于规范规定的限值，隧道稳定。 （2）衬砌应力分析 图 5 建筑物加载后引起的衬砌轴力分布图 图 6 建筑物加载后引起的衬砌剪力分布图 图 7 建筑物加载后引起的衬砌弯矩分布图 由图 5、6、7 可知，建筑物加载后隧道衬砌最大轴力为 2640KN、最大剪力为 45.7KN、最大弯矩为 38.0KNm。 根据最大内力值进行非接头处配筋和裂缝验算，TBM 区间隧道衬砌配筋满足要求，箍筋按构造要求满足铁路隧道设计规范：时，直径，的要求。钢筋混凝土受弯构件，其最大裂缝宽度满足规范要求。 根据最大内
11、力值进行接头处螺栓应力验算： 衬砌弯矩最大值为 38KNm，通过惯用修正法进行修正，弯矩调整为30.4KNm。经计算螺栓应力为 305.3MPa，小于螺栓的屈服强度 480MPa，所以管片接头安全。 5 结论及建议 （1）该项目的修建对隧道的位移有一定程度的影响，但影响很小，隧道未产生规范不容许的变形，并不影响隧道的整体稳定性。 （2）该项目范围内复合式 TBM 区间隧道衬砌的非接头处配筋及裂缝均满足规范要求；接头处螺栓应力小于螺栓的屈服强度，管片接头安全。即衬砌能满足支护承载力要求。 （3）考虑到水对地基岩体和隧道围岩强度弱化的不利作用，在地面建筑施工和运营期间必须做好地表水体下渗的防排措施
12、，避免基坑在雨季的积水下渗对隧道的影响，并使地表水体构筑物与隧道保持较远距离。（4）拟建物基础开挖严禁震动放炮。 参考文献（references） 1 张永新,王桂林.高层建筑岩石洞室地基稳定性分析方法与应用J.工程力学学报,2007,24(Supp.2):110-120. 2重庆市建设委员会.建筑地基基础设计规范(DBJ50-047-2006)S . 3中华人民共和国铁道部.铁路隧道设计规范(TB10003-2005)S.北京:中国铁道出版社,2005. 4冯文文,李守巨,刘迎曦.隧道衬砌结构安全性的有限元数值模拟分析J.科学技术与工程,2008.8(3):703-707. 5张晋毅.中洞法开挖的地铁车站施工力学分析J.地下空间与工程学报,2010, 6(4): 828-832. 6纪新博,赵 文,周永伟,李慎刚.浅埋暗挖地铁车站衬砌结构应力分析J.地下空间与工程学报,2012,8(6):1111-1115.
