地鐵車站上方分洪箱涵分層開挖施工可行性研究

黎大鵬，胡軍然，賈 偉，王 成

（中交四航局廣州南沙工程有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

某河道位于深圳市寶安區(qū)西鄉(xiāng)街道，屬珠江口獨(dú)立入海河流。由于河道現(xiàn)狀暗渠化嚴(yán)重（暗渠約占85%），現(xiàn)狀下游暗涵（2孔3.0m×1.5m）過流能力嚴(yán)重不足，且因兩側(cè)緊鄰建筑影響范圍廣，現(xiàn)狀悅和路下暗涵進(jìn)行擴(kuò)增斷面改造難度大，因此在現(xiàn)狀河道暗涵清淤的基礎(chǔ)上，沿共樂路新建1道分洪箱涵，形成行洪雙通道，增大河道過流行洪能力，以滿足20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。

分洪箱涵施工需穿越地鐵車站，該段分洪箱涵橫斷面尺寸為2孔3m×2m，開挖深度約3m，箱涵底部標(biāo)高為0.900m。根據(jù)地鐵車站竣工圖可知，地鐵車站頂標(biāo)高為0.739m，箱涵底部離車站頂部?jī)H16.1cm（見圖1）。根據(jù)《城市軌道交通安全保護(hù)區(qū)內(nèi)工程建設(shè)管理工作辦事指南》相關(guān)規(guī)定，車站上方基槽開挖嚴(yán)禁采用灌注樁、鋼板樁等支護(hù)方式。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擬采用人工分層開挖方式進(jìn)行施工，并通過有限元軟件建模分析分洪箱涵基坑分層開挖對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)安全的影響。結(jié)果表明，該段箱涵可采用分層開挖方式進(jìn)行施工。

圖1 分洪箱涵與地鐵結(jié)構(gòu)橫斷面

2 結(jié)構(gòu)安全分析技術(shù)路線

基坑開挖主要施工步驟包括：場(chǎng)地平整→軸線與基坑邊線測(cè)量→坡頂排水系統(tǒng)、變形監(jiān)測(cè)布點(diǎn)及初值測(cè)定→分塊、分層、分段開挖至各施工工作面→分層分段開挖至坑底→分洪箱涵底板施工→分洪箱涵外墻施工→施工至分洪箱涵完成→施工期間持續(xù)監(jiān)測(cè)→基坑支護(hù)工程完工→分項(xiàng)工程竣工驗(yàn)收。根據(jù)施工步驟可得出，基坑開挖施工對(duì)結(jié)構(gòu)的影響包括以下方面。

1）土方卸載開挖引起巖土層與車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布和變形。

2）基坑開挖過程中施工車輛、材料堆載等臨時(shí)超載會(huì)對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載。

3）土方開挖過程中，土體應(yīng)力釋放會(huì)引起車站結(jié)構(gòu)的附加荷載。

為評(píng)估分洪箱涵基坑開挖施工對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)安全的影響，本文采用理論分析與建立二維數(shù)值模型相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)估分析。整個(gè)基坑開挖施工過程對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)影響分析技術(shù)路線如下。

1）根據(jù)相關(guān)理論和規(guī)范的計(jì)算方法，計(jì)算分析基坑開挖施工過程中基坑的整體穩(wěn)定性、內(nèi)力分布及變形情況，評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定狀況。

2）根據(jù)分洪箱涵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵車站結(jié)構(gòu)的空間幾何關(guān)系、地層信息和施工邏輯關(guān)系，建立二維數(shù)值仿真模型。

3）全過程模擬基坑施工過程，分析分洪箱涵基坑施工過程中地鐵車站巖土體與結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布和變形情況，評(píng)估其對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的安全性影響。

4）根據(jù)二維數(shù)值模型計(jì)算基坑工程與地鐵車站結(jié)構(gòu)空間和力學(xué)響應(yīng)分析成果，結(jié)合理論分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)基坑開挖過程中地鐵車站結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性給出評(píng)價(jià)結(jié)論，并提出科學(xué)、安全、合理的基坑設(shè)計(jì)和施工建議。

3 基坑開挖理論計(jì)算分析

3.1 施工期間卸載開挖抗浮計(jì)算

擬建分洪箱涵采用放坡開挖施工，基坑開挖后，地鐵車站結(jié)構(gòu)卸載對(duì)局部抗浮有影響。根據(jù)本區(qū)段工程地質(zhì)剖面圖，勘測(cè)期間地下水位標(biāo)高為-0.040～0.220m，按較高水位標(biāo)高0.220m核算，地鐵車站結(jié)構(gòu)每延米浮力值F=2 528kN，而每延米結(jié)構(gòu)自重G=2 786kN，抗浮系數(shù)取1.05，G＞1.05F=2 654kN，滿足要求，且地鐵車站為全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，卸載不會(huì)對(duì)地鐵車站抗浮產(chǎn)生影響。

3.2 分洪箱涵運(yùn)營后對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)影響分析

分洪箱涵穿越地鐵車站段為雙孔3m×2m方箱涵，方箱涵混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗?jié)B等級(jí)P6，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)自防水，穿越地鐵車站不設(shè)變形縫。從荷載變化分析，地鐵車站結(jié)構(gòu)上覆土厚度3.31m，覆土重度按18kN/m3計(jì)算，覆土的豎向荷載q=59.58kN/m2，分洪渠內(nèi)設(shè)計(jì)水位為滿流，結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)水的荷載值q=40.20kN/m2，荷載有所減小，分洪箱涵運(yùn)營期間不會(huì)對(duì)地鐵車站產(chǎn)生附加應(yīng)力。由此分析可見，分洪箱涵運(yùn)營后對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3.3 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性可采用圓弧滑動(dòng)條分法進(jìn)行驗(yàn)算，其整體穩(wěn)定性應(yīng)符合下列規(guī)定：

式中，Ks為圓弧滑動(dòng)整體穩(wěn)定安全系數(shù)；安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的錨拉式支擋結(jié)構(gòu)，Ks分別不應(yīng)小于1.35、1.30、1.25；Ks,i為第i個(gè)滑動(dòng)圓弧的抗滑力矩與滑動(dòng)力矩的比值，抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比的最小值宜通過搜索不同圓心及半徑的所有潛在滑動(dòng)圓弧確定；cj、φj分別為第j土條滑弧面處土的黏聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角（°）；bj為第 j土條的寬度（m）；θj為第j土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂直面的夾角（°）；lj為第j土條的滑弧段長(zhǎng)度（m），取 lj=bj/cosθj；qj為作用在第 j土條上的附加分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；△Gj為第j土條的自重（kN），按天然重度計(jì)算；uj為第j土條在滑弧面上的孔隙水壓力（kPa）；基坑采用落底式截水帷幕時(shí)，對(duì)地下水位以下的砂土、碎石土、粉土，在基坑外側(cè)可取uj=γwhwa,j，在基坑內(nèi)側(cè)，可取uj=γwhwp,j，在地下水位以上或地下水位以下的黏性土，取uj=0；γw為地下水重度（kN/m3）；hwa,j為基坑外地下水位至第j土條滑弧面中點(diǎn)的垂直距離（m）；hwp,j為基坑內(nèi)地下水位至第j土條滑弧面中點(diǎn)的垂直距離（m）；R'k,k為第k層錨桿對(duì)圓弧滑動(dòng)體的極限拉力值（kN）；應(yīng)取錨桿在滑動(dòng)面以外的錨固體極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值與錨桿桿體受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值（fptkAp或fykAs）的較小值；αk為第 k層錨桿的傾角（°）；sx,k為第 k層錨桿的水平間距（m）；ψv為計(jì)算系數(shù)，可按 ψv=0.5sin（θk+αk）tanφ取值。

地鐵車站上方要求采用人工卸載，不考慮走車，超載按10kPa取值；土層內(nèi)側(cè)降水最終深度3.50m，外側(cè)水位深度1.00m；土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

利用瑞典條分法計(jì)算得出的邊坡整體穩(wěn)定，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。因此放坡開挖過程中地鐵車站安全。

4 基坑開挖過程有限元數(shù)值計(jì)算與工況分析

4.1 本構(gòu)模型

本次分析采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件Midas/GTS NX進(jìn)行計(jì)算，該軟件可方便地進(jìn)行回填、開挖及施加支護(hù)結(jié)構(gòu)等巖土及隧道工程施工階段分析。Midas/GTS的施工階段分析采用的是累加模型，即每個(gè)施工階段都繼承上一個(gè)施工階段的分析結(jié)果，并累加本施工階段的分析結(jié)果，即上一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會(huì)影響后續(xù)階段的分析結(jié)果。

為研究施工過程中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，本次分析土體材料本構(gòu)模型取用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）彈塑性模型。該模型模擬的是彈性-完全塑性的本構(gòu)關(guān)系，其典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。應(yīng)力在達(dá)到屈服點(diǎn)前與應(yīng)變呈正比關(guān)系，超過屈服點(diǎn)時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為水平線。襯砌結(jié)構(gòu)材料按線彈性考慮。

圖2 彈性-完全塑性本構(gòu)模型

德魯克-普拉格模型的屈服函數(shù)如下：

式中，I1=σx+σy+σz為應(yīng)力張量的第一不變量；為應(yīng)力偏張量的第二不變量。

4.2 模擬工況

根據(jù)建設(shè)單位提供的圖紙資料，截取管涵與下穿隧道縱斷面，該斷面處基坑采用放坡卸土支護(hù)方式。

本次數(shù)值計(jì)算分析模型中，土體采用平面應(yīng)變單元模擬，地鐵車站結(jié)構(gòu)采用梁板單元模擬，按照工程設(shè)計(jì)方案中構(gòu)件實(shí)際截面特性確定。計(jì)算模型范圍以基坑外輪廓為基準(zhǔn)，外擴(kuò)一定距離后（約2倍基坑深度）建立。模型左右邊界固定水平距離，底部邊界固定豎向位移，上部邊界為地表自由面，自重荷載取重力加速度，施工荷載取10kPa均布荷載?；娱_挖3.3m，分層開挖，每層厚度1.1m，各計(jì)算分析工況如圖3所示。

圖3 各工況計(jì)算分析

4.3 各工況計(jì)算結(jié)果

在實(shí)際過程中最不利情況是基坑開挖見底，因此按最不利工況原則，根據(jù)本基坑與鄰近地鐵區(qū)間隧道的平面及立體關(guān)系，以及基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)，選取靠近地鐵一側(cè)的1個(gè)斷面進(jìn)行有限元計(jì)算，分析基坑開挖到坑底過程中隧道結(jié)構(gòu)的變形情況。

通過計(jì)算得到各工況下基坑及地鐵車站的水平、豎向位移力云圖，通過分析云圖，各工況模擬計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)完成基坑土體開挖后，基坑及車站結(jié)構(gòu)發(fā)生變形最大，車站結(jié)構(gòu)最大水平變形0.04mm，最大豎向變形1.1mm（隆起）。

根據(jù)深圳地鐵集團(tuán)有限公司印發(fā)的《城市軌道交通安全保護(hù)區(qū)內(nèi)工程建設(shè)管理工作辦事指南》中的《城市軌道交通安全保護(hù)第三方監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)》有關(guān)規(guī)定：城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對(duì)沉降量及水平位移量≤10mm（包括各種加載和卸載的最終位移量），基坑工程開挖施工引起的地鐵車站結(jié)構(gòu)水平變形和豎向變形均滿足規(guī)定要求，基坑開挖過程中地鐵車站結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

5 計(jì)算分析結(jié)論

1）根據(jù)理論計(jì)算，分洪箱涵施工期間，地鐵車站上部土體卸載后抗浮滿足計(jì)算要求，分洪箱涵放坡開挖時(shí)邊坡整體穩(wěn)定性滿足相關(guān)規(guī)范要求，地鐵車站頂部荷載小于原覆土重量，不會(huì)對(duì)地鐵車站產(chǎn)生附加應(yīng)力，分洪箱涵使用后不會(huì)對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

2）根據(jù)數(shù)值分析，基坑開挖卸荷施工擾動(dòng)引起車站結(jié)構(gòu)水平變形為0.04mm，引起隧道結(jié)構(gòu)隆起為1.1mm。分洪箱涵開挖施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響在規(guī)范要求范圍之內(nèi)，不影響地鐵正常運(yùn)行。

6 分洪箱涵施工期間保護(hù)措施建議

1）開挖過程精細(xì)化，采用人工分層開挖方式。如地鐵車站防水保護(hù)層較厚，已進(jìn)入分洪箱涵墊層或結(jié)構(gòu)層，需及時(shí)與業(yè)主方及設(shè)計(jì)溝通，協(xié)商處理。

2）開挖后，地鐵車站結(jié)構(gòu)頂板上不得行駛或停放大型機(jī)械設(shè)備，荷載不得超過地鐵車站頂板設(shè)計(jì)荷載。

3）分洪箱涵基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，基槽范圍內(nèi)滿鋪C15混凝土墊層，避免后續(xù)施工工序?qū)Ψ浪畬釉斐善茐摹?/p>

4）分洪箱涵肥槽回填石粉渣，壓實(shí)系數(shù)不低于0.95，地鐵車站上方0.5m范圍內(nèi)應(yīng)采用非振動(dòng)的輕型壓實(shí)機(jī)具，覆土0.5～1.2m，不得使用機(jī)重超過15t的重型靜碾，且不得使用振動(dòng)碾施工。

5）分洪箱涵于地鐵車站范圍之外部分同樣采取開槽施工方式，至地鐵車站結(jié)構(gòu)上方0.5m采用人工開挖，避免超挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)墻造成損壞。

6）根據(jù)有限元計(jì)算，地鐵結(jié)構(gòu)位移最大值發(fā)生在分洪箱涵開挖到底的工況，因此分洪箱涵施工時(shí)應(yīng)縮短基底的暴露時(shí)間，盡早施作分洪箱涵結(jié)構(gòu)并回填。

7）施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，嚴(yán)格按要求制定相關(guān)應(yīng)急處理措施。

8）考慮到施工期間可能遇到的極端事故工況應(yīng)做好應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案，同時(shí)準(zhǔn)備充分的應(yīng)急物資。