既有区间隧道上方填方施工对隧道衬砌变形及受力影响分析

赵 伟

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

0 引 言

随着城市的发展和建设，并且受到城市可用空间的限制。越来越多的项目需要在既有项目的线位进行规划和施工，新项目施工必然对既有项目产生一定影响。尤其是地铁这种对于变形控制较为严格的建筑，新项目施工前必须充分的分析其时施工对既有地铁的影响。沈阳长青街快速路高架填方路基段位于地铁盾构区间上方，需施做永久挡墙并在挡墙内填土，填土最大高度约4.7 m，需要分析填土对既有区间隧道的变形内力应影响。

1 工程概况

新建高架挡土墙填方路基段起始里程为K0+264.86，终止里程为K0+384.86，长度120 m。本段挡墙填方段位于既有地铁盾构区间上方，挡墙下设置排桩基础，挡土墙内填土高度约1.3～4.7 m。挡土墙里程为K0+384.86位置，填方土高度最高，区间埋深最浅，本位置桩底距离区间最近，为最不利断面。盾构隧道外径6 m，内径5.4 m，衬砌厚度0.3 m。最不利断面如下所示，桩底距离区间顶约5 m。

图1 填方路基与盾构区间平面位置关系图

图2 填方路基与盾构区间剖面位置关系图

2 区间隧道变形及内力计算分析

(1)区间隧道变形计算

采用理论分析方法进行计算，填土位于地面挡土墙之间，附加荷载施加在地面。由于挡土墙和围护桩的限制作用，附加荷载无法像一般的附加荷载一样向下扩散。按照对下方区间不利工况考虑，桩底土层附加荷载按照地面附加荷载数值计算，如图3所示。填土容重按照20 KN/m3计算。挡土墙段起始里程为K0+264.86处超载为26 KPa，终止里程为K0+384.86处超载为94 KPa，如图4所示。

图3 填土超载剖面图 图4 填土超载纵向平面图

采用《建筑地基基础设计规范》分层总和法分别计算角点1(2)、3(4)、5桩底至隧道顶沉降S1，桩底至隧道底沉降S2，桩底总沉降S3。通过S1、S2、S3计算隧道拱顶沉降、拱底沉降及相对变形。

表1 沉降分析表(mm)

(2)区间隧道内力计算

按照对下方区间不利工况考虑，桩底土层附加荷载按照地面附加荷载数值计算，取附加荷载最大断面，附加荷载标准值为P0=94 KPa。参考土力学教材，土压力扩散角按照22°取值，计算附加应力。本工况其他荷载与填方路基施工前相同。施工后右线隧道左上方施加填方引起的附加荷载P1，隧道左侧施加填方引起的附加荷载P2，如图5所示。其他荷载计算按照《上海地基基础设计规范》计算。

填土竖向荷载：P1=P0×8/(8+2×5.09×tan22°)=62.4 KPa

填土水平荷载：P2=P1×0.35=21.7 KPa

(注：其中0.35为隧道所在土层静止土压力系数)

表2 堆载前盾构隧道荷载标准值(KPa)

地面填土完成后荷载标准组合下，隧道衬砌轴力、弯矩如图6、图7所示。

图6 堆载后弯矩图 图7 堆载后轴力图

取按荷载标准值计算的内力进行对比。对比结果如下表。结果显示最大弯矩增加量约为25%，最大轴力增加量约为18%。

表3 内力分析表

3 结论与建议

(1)采用《建筑地基基础设计规范》计算沉降，隧道顶沉降量为5.053 mm；隧道底沉降量为3.414 mm。隧道收敛变形量为1.639 mm，结构沉降量小于10 mm。轨道沉降近似取隧道底沉降3.414 mm，小于4 mm。

(2)采用《上海地基基础设计规范》荷载-结构法计算隧道衬砌内力变化，填方施工前地铁区间最大正弯矩为100.7 KN·m，最大负弯矩为73.8 KN·m，填方施工后地铁区间最大正弯矩为125.4 KN·m，最大负弯矩为90.8 KN·m，弯矩增加约25%；填方施工前地铁区间最大轴力为828.7 KN，填方施工后地铁区间最大轴力为976.4 KN，轴力增加约18%。

(3)地面堆载对既有隧道衬砌受力极为不利，进行地面填土时，应充分分析其填土对隧道衬砌内力的影响，必要时在填土前对隧道衬砌进行加固。