地铁盾构施工下穿江心洲的安全影响分析

高宗祥，王海君，陈 刚

(1.中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250000；2.中铁建华南建设有限公司，广东 广州 510000)

0 引 言

近年来，随着我国城市交通的发展，城市地铁过江隧道工程越来越普遍[1]。过江隧道有可能需要从江心洲下方穿过，盾构施工引起的土体扰动不可避免地会导致江心洲上堤岸防护工程及建筑物发生沉降，对结构安全造成影响。

对于盾构隧道穿江工程背景下的影响问题，国内外学者结合工程实测数据进行了相关研究，肖龙鸽等[2]结合武汉长江隧道工程，分析了盾构推进过程对周边环境的影响，并总结了地表沉降控制及灾害事故预防的措施。吴世明等[3]结合杭州过江隧道穿越防洪大堤的工程实例，阐述了水底盾构隧道穿越堤防的风险源及相应的风险控制措施。张亚洲等[4]利用有限差分软件对盾构隧道穿江过程进行了数值模拟，分析了盾构施工对堤岸地层变形的影响。

以广州地铁18#线过江盾构隧道下穿江心洲为项目背景，采用数值分析方法分析隧道盾构施工对江心洲堤岸防护工程及建筑物的影响。

1 工程概况

广州地铁18#线琶洲西区站—冼村站隧道为盾构段隧道，线路以S弯形式穿过珠江，盾构管片内径为7 700 mm，管片厚度为400 mm，环宽为1 600 mm。隧道在正下方穿过某江心洲，江心洲上主要结构物为钻孔灌注桩堤岸支护、重力式沉箱堤岸及楼房建筑物，堤岸混凝土灌注桩长约19 m，楼房建筑物混凝土灌注桩长约9～12 m，桩基与隧道管片最小净距约为14 m。

2 工程地质条件

对隧道区间工程场地处的钻孔柱状图进行分析，得到最不利钻孔柱状图，该处地质从地面往下依次为2.63 m的杂填土<1-1>，6.2 m的淤泥质粉细砂<2-2>，6.8 m的可塑状碎屑岩残积土<5N-1>，3.1 m的全风化泥质粉砂岩<6>，1.4 m的强风化泥质粉砂岩<7-3>，5.6 m的中风化泥质粉砂岩<8-3>，以下是微风化泥质粉砂岩<9-3>。盾构隧道洞身全部处于中风化及微风化泥质粉砂岩中，且洞身上方有约13 m的风化泥质粉砂岩。

3 三维数值模型的建立

根据江心洲和盾构隧道的空间立体关系，运用有限元分析软件midas GTS建立三维有限元计算模型，模型水平范围取隧道底埋深的3倍，模型示意图如图1、图2所示。三维有限元计算模型的边界条件为：约束模型底部x、y、z方向，模型前后面y方向，模型左右面x方向，约束桩的z方向旋转(Rz)，减少模型自由度，以避免模型计算错误。盾构隧道施工的主要模拟流程为：初始应力场分析，盾构机掘进，管片拼装。

图1 三维有限元整体模型

图2 三维有限元模型细部图

三维有限元计算模型中的地层主要根据地铁区间附近的工程地质资料及工程经验适当进行简化，土层及结构材料参数依据相关设计施工图纸资料确定。盾构隧道管片使用板单元模拟，堤岸防护工程灌注桩简化为地连墙采用板单元模拟，沉箱采用板单元模拟，房屋建筑桩基础采用植入式梁单元模拟。各材料参数取值见表1所示。

表1 材料参数取值表

4 主要结果分析

盾构隧道下穿江心洲段后，重力式沉箱防护堤岸位移云图如图3所示，最大总位移为0.22 mm，最大水平位移为0.15 mm(Tx)、0.17 mm(Ty)，最大竖向位移为0.17 mm。灌注桩防护堤岸位移云图如图4所示，最大总位移为0.26 mm，最大水平位移为0.15 mm(Tx)、0.17 mm(Ty)，最大竖向位移为0.20 mm。堤岸防护工程最大位移值均小于《广东省建筑基坑工程技术规程》(DBJ/T15—20—2016)[5]位移控制值30 mm。

图3 重力式沉箱防护堤岸位移云图

上部建筑物桩基桩顶位移见表2所示。隧道下穿过程中各栋建筑物桩顶最大位移均小于0.5 mm，最大沉降差均小于1 mm，如图4所示，满足《广东省建筑地基基础设计规范》(DBJ 15—31—2016)[6]以及《城市软土基坑与隧道工程对临近建(构)筑物影响评价与控制技术指南》(CCES 03—2016)[7]的建筑物位移控制值。

图4 灌注桩防护堤岸位移云图

表2 各桩桩顶位移汇总表 单位：mm

5 结 论

针对地铁盾构隧道下穿江心洲，采用数值模拟方法分析了隧道盾构施工对上部江心洲堤岸防护工程及建筑物的影响，得出以下结论。

盾构隧道下穿诱发堤岸防护工程最大总位移为0.26 mm，小于规范的位移控制值，表明盾构隧道下穿不影响堤岸防护工程。

盾构隧道下穿过程中各栋建筑物桩顶最大位移均小于0.5 mm，最大沉降差均小于1 mm，满足规范要求的建筑物位移控制值，表明盾构隧道下穿不危及上部建筑结构安全。