某人行地道工程對既有地鐵隧道的影響分析

茅燕兵 MAO Yan-bing

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510030）

1 工程概況

1.1 軌道交通工程

既有地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，人行地道處區(qū)間線間距為14m左右，最大坡度26‰，最小坡度3.3‰。區(qū)間穿越的土層主要有5-3-4黏土、10-7A-1全風(fēng)化頁巖、10-1-3中風(fēng)化石灰?guī)r，隧道頂部埋深9.8～19.5m。隧道結(jié)構(gòu)采用單層預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，內(nèi)徑5500mm、厚度350mm、環(huán)寬1.2m。管片采用錯(cuò)縫拼裝，在縱縫接觸面設(shè)有榫槽。

1.2 人行地道工程

人行地道平面呈反“C”形布置，通道以暗埋段形式穿越御景路，并在御景路人行道邊紅線外側(cè)設(shè)置平行于御景路走向的坡道。坡道敞開段采用U型槽結(jié)構(gòu)，主通道暗埋段及坡道段暗埋段采用單室箱型結(jié)構(gòu)，通道中部設(shè)置單泵房，主通道基坑深8.7m。人行通道底部開挖面至左線、右線隧道頂部豎向距離均為9.4m。圍護(hù)樁至隧道豎向最近距離為5.28m。

1.3 軌道交通結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查及評估

根據(jù)軌道交通運(yùn)營第一期沉降成果資料，施工影響范圍內(nèi)本地鐵隧道沉降及收斂情況統(tǒng)計(jì)左線監(jiān)測沉降值最大值為3.16mm，施工影響范圍內(nèi)右線監(jiān)測隧道沉降值最大值為5.66mm。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示施工影響范圍內(nèi)，左線監(jiān)測收斂值橫徑最大值為0.7mm，左線監(jiān)測收斂值豎徑最大值為-0.7mm。施工影響范圍內(nèi)右線監(jiān)測隧道收斂值橫徑最大值為0.8mm，右線監(jiān)測收斂值豎徑最大值為-0.7mm。從監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，區(qū)間隧道在施工影響范圍內(nèi)收斂現(xiàn)狀狀況良好。

2 人行地道基坑工程設(shè)計(jì)

2.1 基坑主要尺寸

基坑主通道長92m，兩側(cè)爬坡段長32m，基坑最深8.7m，平面呈反“C”形布置。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)方案，基坑最深約8.7m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ800@1200鉆孔灌注樁+?650@450三軸攪拌樁止水帷幕，豎向設(shè)置一道600×800混凝土支撐間距約7.5m。圍護(hù)樁兼做抗浮，爬坡段采用抗拔樁。

2.3 主要設(shè)計(jì)原則

①基坑設(shè)計(jì)使用年限2年；

②基坑安全等級為2級，重要性系數(shù)為1.0；

③基坑變形保護(hù)等級為2級，穩(wěn)定性安全系數(shù)按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）執(zhí)行；

④抗浮安全系數(shù)不小于1.15，抗浮設(shè)計(jì)水位取地面下0.5m。

3 數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

為分析頂管施工對既有地鐵工程的影響，采用Midas/GTS三維有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，考慮到工程模擬精度與效率[1]，土層模型尺寸長×寬×高分別定為140m×160m×50m，模型節(jié)點(diǎn)85070個(gè)，單元112484個(gè)。在模型中，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及詳勘資料：土體從地表往下簡化為4層，采用實(shí)體單元混合網(wǎng)格模擬，計(jì)算分析土層采用彈性模型、M-C模型和修正M-C模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)管片、基坑外旋噴樁加固采用2D板單元（shell element）模擬[2]。

計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算所用參數(shù)見表1和表2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 地層物理學(xué)參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)物理學(xué)參數(shù)表

3.2 初始與邊界條件

邊界條件：模型四周邊界約束水平方向位移，豎直方向位移自由；底部XYZ方向全約束，為固定邊界條件；頂端地面為自由邊界[3]。

初始條件：模擬的初始條件為地鐵隧道施工完畢，并與地層達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，作為工程施工的初始條件。

3.3 施工模擬工況

為了進(jìn)一步降低通道施工對下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響，考慮隧道土體分段開挖的施工方案，減小一次性大開挖造成的卸載隆起效應(yīng)，本計(jì)算采用Midas/GTS三維有限元模擬軟件進(jìn)行分析建模，考慮重要的施工步驟，簡化合并相對次要的施工過程[4]，本次模擬施工步驟（工況）主要分為10個(gè)部分，如表3所示，本文取最不利工況結(jié)果。

表3 分析工況表

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

分別對10種工況進(jìn)行了有限元數(shù)值分析，將各工況隧道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果總結(jié)如圖2-圖4所示，由圖中數(shù)據(jù)分析可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

圖2 各工況水平向變形值

圖4 各工況總變形值

①通道施工引起的隧道結(jié)構(gòu)變形總體較小，最大不超過1mm；

②一期工程施工影響較小，對隧道影響可忽略不計(jì)；

③施工過程工況9對既有地鐵隧道變形影響最大，水平位移最大值為0.63mm，隆起最大值為1.07mm；

④施工對隧道右線影響相對較大，與上方基坑開挖體量較大相對應(yīng)。

圖3 各工況垂直向變形值

選取工況9（最不利工況）計(jì)算結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 水平向變形

圖7 總變形云圖

隧道內(nèi)力復(fù)核，選取最不利工況9右線隧道最不利斷面管片變形結(jié)果進(jìn)行裂縫驗(yàn)算分析，分析結(jié)果如表4，最不利工況計(jì)算云圖如圖8。

圖8 施工后結(jié)構(gòu)內(nèi)力

根據(jù)表4經(jīng)對比施工前后管片彎矩變化彎矩、軸力稍微增加，但配筋仍可滿足規(guī)范要求。可見施工對管片應(yīng)力變化影響較小，可忽略。

表4 隧道內(nèi)力計(jì)算表

圖6 豎向變形

4 結(jié)語

①結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，為減小基坑施工對下臥隧道的影響，基坑開挖采取分段施工的措施，施工引起隧道最大上浮量不超過0.9mm，結(jié)構(gòu)回筑完成后，隧道隧道上浮為0.52mm，能夠滿足對隧道的保護(hù)要求。②經(jīng)有限元分析模擬，工況9開挖時(shí)隧道的影響較大，應(yīng)加強(qiáng)該階段基坑施工控制。③取消原方案抗拔樁設(shè)置，減少樁基對隧道的影響，基坑敞口段利用圍護(hù)樁兼做壓頂梁的方式解決抗浮，無法設(shè)置壓頂梁部位采用配重法解決抗浮。④基坑施工前應(yīng)編制詳細(xì)的降水方案，基坑周邊補(bǔ)充設(shè)置水位觀測井（檢驗(yàn)止水帷幕效果），并設(shè)置部分回灌井，監(jiān)測御景路道路及周邊管線的沉降變形。降水期間應(yīng)根據(jù)隧道變形監(jiān)測情況，及時(shí)啟動(dòng)回灌措施。⑤為減少隧道的變形影響，建議左線隧道正上方基坑與右線上方基坑分期施工。待左線隧道正上方結(jié)構(gòu)施工完畢及覆土回填后，再進(jìn)行右線基坑的施作。⑥為準(zhǔn)確掌握樁基和基坑開挖過程中盾構(gòu)隧道的變形，應(yīng)委托有資質(zhì)第三方監(jiān)測單位編制詳細(xì)的監(jiān)測方案，進(jìn)行施工過程中的嚴(yán)密監(jiān)測。