市政管線改造施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)影響分析

魏東方，王斌 （合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

隨著城市發(fā)展，地下設(shè)施建設(shè)越來越密集，地下空間作為重要資源得到了越來越多的重視。近年來，合肥市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完善，城區(qū)運(yùn)營及在建地鐵線路接近10條，地鐵覆蓋范圍越來越廣。地鐵建設(shè)帶動周邊商業(yè)活力的同時，對周邊工程項目規(guī)劃、建設(shè)提出了更高的要求。地鐵隧道對變形敏感，基坑開挖施工會導(dǎo)致下方地鐵隧道產(chǎn)生變形（包括管片錯臺、管片變形、管片開裂和管片變位）。變形過大將會對隧道結(jié)構(gòu)、列車行車安全產(chǎn)生很大影響。因此，對于上跨既有地鐵區(qū)間隧道的基坑工程，如何準(zhǔn)確預(yù)測和防治地鐵上抬變形便成為急需解決的問題［1-8］。

城市道路下方為公共設(shè)施集中布設(shè)的場地，市政管線密集，穿越既有軌道交通設(shè)施的情況越來越多。市政管線維修、更新不得不考慮對地鐵設(shè)施的保護(hù)，考慮市政管線施工對地鐵結(jié)構(gòu)安全影響。本文以合肥地區(qū)老舊道路改造中雨水箱涵改建為背景，通過三維有限元數(shù)值模擬和二維典型剖面計算，分析箱涵基坑開挖過程中，地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的變化，判斷管線基坑施工對鄰近既有軌道交通線區(qū)間隧道造成的影響是否在安全可控的范圍內(nèi)，并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，對為合肥地區(qū)類似項目提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本項目改造雨水箱涵位于合肥市翡翠路與芙蓉路交口，雨水箱涵尺寸3000×1600，箱涵基坑寬度4.8m，開挖深度4.8m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用咬合樁+內(nèi)支撐的復(fù)合支護(hù)形式。箱涵與合肥市軌道交通3號線繁華大道站～芙蓉路站區(qū)間平行，與區(qū)間右線隧道結(jié)構(gòu)最小水平距離約7.7m，基坑底距離區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)約5.5m。結(jié)構(gòu)剖面相對位置關(guān)系詳見圖1、圖2。

圖1 雨水箱涵支涵與區(qū)間隧道相對位置關(guān)系圖（1）

圖2 雨水箱涵與區(qū)間隧道相對位置關(guān)系圖（2）

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地宏觀地貌單元為江淮丘陵，微地貌單元為崗地與坳溝。上覆土層以第四紀(jì)沖積粘性土為主，下伏白堊系（K）棕紅色泥質(zhì)砂巖風(fēng)化帶，覆蓋層厚度（至中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖面）約20～30m。

根據(jù)勘察資料，基坑所在地層從上到下依次為：①1填土、④2黏土。

①1層素填土（Qml）：層厚1.1～6.2m，灰黃、灰白、灰褐、雜色等，稍密狀態(tài)為主，局部松散、中密狀態(tài)，濕，該層上部10～15cm為黑色瀝青面層，其下為水泥結(jié)構(gòu)層，厚約40～80cm，結(jié)構(gòu)層以下為三合土及粘性土墊層，混碎石、砂、石灰等。

④2層粘土（Q3al+pl）：最大揭示厚度為11.7m，褐黃、灰黃、黃褐色，硬塑狀態(tài)為主，下部局部堅硬狀態(tài)，濕，網(wǎng)狀裂隙稍發(fā)育，局部夾薄層硬塑狀粉質(zhì)粘土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，氧化物、高嶺土等，下部含較多鈣質(zhì)結(jié)核。光滑，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性高等。

土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

土體物理力學(xué)參數(shù) 表1

1.3 水文地質(zhì)條件

項目所在位置地下水類型主要為上層滯水，分布于①1層素填土孔隙中，受大氣降水、地表水入滲補(bǔ)給，排泄方式以向低洼處滲流及蒸發(fā)為主，水量不豐富。地下水靜止水位埋深為1.1～3.0m，水面標(biāo)高22.72～42.91m。地下水年變化幅度約2m。④2層粘土均為非含水層。

2 基坑開挖對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響分析

2.1 計算參數(shù)選取

為研究管道基坑施工對3號線區(qū)間隧道的影響，采用三維有限元模型進(jìn)行分析。分析中盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)假設(shè)為線彈性體，各土層則假設(shè)為彈塑性體，土體采用硬化模型（即修正mohr-Coulomb模型）。土體硬化本構(gòu)模型能考慮粘土的硬化特征、能區(qū)分加荷和卸荷的區(qū)別，且其剛度依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑，計算結(jié)果能同時給出較為合理的墻體變形及墻后土體變形，適合于敏感環(huán)境下的基坑開挖數(shù)值分析。

土體硬化模型共有11個參數(shù)，包括：有效粘聚力c’、有效內(nèi)摩擦角φ’、剪脹角Ψ、三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的參考割線、固結(jié)試驗(yàn)的參考切線模量、與模量應(yīng)力水平相關(guān)的冪指數(shù)m、三軸固結(jié)排水卸載-再加載試驗(yàn)的參考卸載再加載模量，卸載再加載泊松比υ，參考應(yīng)力Pref、破壞比Rf、正常固結(jié)條件下的側(cè)壓力系數(shù)K0。

計算模型中兩側(cè)垂直邊界條件為水平固定，模型底面為水平及豎直方向均固定。

2.2 基本假設(shè)

①假定圍巖各層都是各向同性連續(xù)介質(zhì)，土體采用Mohr-Coulomb模型，并采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，Mohr-Coulomb模型在數(shù)值計算中效果較好，并且該準(zhǔn)則能較好地描述巖土材料的破壞行為，在巖土領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

②地層、隧道開挖區(qū)均采用實(shí)體單元模擬。

③盾構(gòu)、管片主體結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，材料均用線彈性材料。

④周邊既有建構(gòu)筑物的超載按均布荷載作用于模型頂面。

⑤僅考慮靜水壓力，不考慮滲流影響。

⑥數(shù)值模擬按實(shí)際施工順序，分步驟模擬。

⑦模型四周邊界及下表面采用單向鉸支約束，上表面采用自由約束。

2.3 三維有限元分析

采用Midas GTS有限元軟件分析雨水箱涵基坑施工與合肥市軌道交通3號線繁華大道站～芙蓉路站區(qū)間隧道的影響，模型的整體尺寸為：X向120m，Y向67m，Z向50m。箱涵基坑深度4.8m，寬度4.8m，基坑支護(hù)采用樁+內(nèi)支撐的復(fù)合支護(hù)形式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用咬合樁，采用一道雙拼槽鋼支撐。

計算分析過程完全按實(shí)際施工過程分為多個階段，荷載根據(jù)施工過程的變化逐步增加（或減小），邊界條件也相應(yīng)調(diào)整，最終工況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形根據(jù)各個階段計算結(jié)果逐步累加而成，有限元模擬施工步驟如下。

工況一：初始應(yīng)力場分析。

工況二：咬合樁及冠梁施工。

工況三：開挖到地下0.5m，架設(shè)鋼支撐。

工況四：開挖到雨水箱涵基坑底，即地下4.8m。

工況五：管道施工、基坑回填。

計算模型及結(jié)果如下：

圖3 計算模型（1）

圖4 計算模型（2）

圖5 隧道結(jié)構(gòu)剪力云圖（雨水箱涵基坑開挖至地下0.5m處,盾構(gòu)區(qū)間最大剪力為82.5kN）

圖6 隧道結(jié)構(gòu)彎矩云圖(雨水箱涵基坑開挖至地下0.5m處,盾構(gòu)區(qū)間最大彎矩為173.3kN·m)

圖7 隧道結(jié)構(gòu)剪力云圖(雨水箱涵基坑開挖至地下4.8m處,盾構(gòu)區(qū)間最大剪力為102.3kN)

圖8 隧道結(jié)構(gòu)彎矩云圖(雨水箱涵基坑開挖至地下4.8m處,盾構(gòu)區(qū)間最大彎矩為174.2kN·m)

圖9 隧道結(jié)構(gòu)位移云圖（基坑開挖到地下0.5m時,盾構(gòu)區(qū)間隆起最大位移0.23mm）

圖10 隧道結(jié)構(gòu)位移云圖（雨水箱涵基坑開挖至地下4.8m處,盾構(gòu)區(qū)間隆起最大位移2.58mm,差異沉降為0.64mm）

圖11 隧道結(jié)構(gòu)位移云圖（基坑開挖到地下0.5m時,盾構(gòu)區(qū)間最大水平位移0.09mm,最大徑向收斂0.18mm）

圖12 隧道結(jié)構(gòu)位移云圖（雨水箱涵基坑開挖至地下4.8m處,盾構(gòu)區(qū)間最大水平位移1.18mm,最大徑向收斂2.06mm）

圖13 模型中道床及軌道示意圖

圖14 雨水箱涵基坑開挖至地下4.89m處,軌道豎向位移云圖（最大豎向位移1.36mm）

圖15 雨水箱涵基坑開挖至地下4.89m處,軌道水平位移云圖（最大水平位移0.31mm）

有限元分析結(jié)果顯示，基坑開挖引起區(qū)間結(jié)構(gòu)隆起，最大隆起量2.58mm，最大水平位移為1.18mm，最大徑向收斂2.06mm。軌道最大豎向位移1.36mm，最大水平位移0.31mm，均滿足變形控制要求。

有限元計算結(jié)果可以看出，基坑開挖至地面下0.5m處，盾構(gòu)襯砌最大彎矩173.3kN·m，最大負(fù)彎矩-160.81kN·m；基坑開挖至地面下4.8m處，盾構(gòu)襯砌最大彎矩174.21kN·m，最大負(fù)彎矩-162.43kN·m。管線基坑開挖過程引起盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩變化較小，表明基坑開挖后區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)能滿足承載能力和正常使用要求。

2.4 基坑典型剖面二維計算

采用啟明星軟件，選取雨水箱涵基坑典型剖面計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。并將計算結(jié)果與三維有限元計算結(jié)果對比分析。

圖16 雨水箱涵基坑典型剖面計算結(jié)果

典型剖面二維計算結(jié)果可知，基坑施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身最大水平位移3.12mm，最大樁身彎矩155.9kN·m，最大地面沉降約4.0mm，滿足基坑變形控制要求。

2.5 二維剖面計算與三維有限元分析結(jié)果對比

通過二維典型剖面計算和三維有限元數(shù)值模擬分別計算基坑施工對鄰近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)變形影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計算結(jié)果對比見表2。

二維剖面計算與三維有限元分析結(jié)果對比 表2

對比分析二維典型剖面計算和三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果可知，三維有限元分析結(jié)果中水平位移較二維分析大，而地表沉降較二維分析小。與二維剖面計算相比，三維有限元分析能更好地反映空間三維效應(yīng)，計算結(jié)果更真實(shí)可靠。

3 結(jié)語

本文通過三維有限元數(shù)值模擬和二維典型剖面計算分析合肥地區(qū)大斷面雨水箱涵基坑施工對鄰近軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)影響，可得出結(jié)論和相關(guān)建議如下：

①通過對比有限元模擬和二維典型剖面計算結(jié)果可知，雨水箱涵基坑施工引起鄰近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)變形滿足相關(guān)要求；

②通過對比有限元模擬和二維典型剖面計算結(jié)果可知，三維有限元結(jié)果中水平位移大，而地表沉降較小，能更好地反映空間三維效應(yīng)；

③基坑開挖階段，注意對稱、分層、分段開挖施工，采用跳倉法開挖；

④綜合考慮規(guī)范、軌道交通結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及工程經(jīng)驗(yàn)，制定本工程變形控制指標(biāo)，應(yīng)嚴(yán)格按照變形控制指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控量測；

⑤結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算滿足軌道交通結(jié)構(gòu)變形控制要求，但施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測軌道結(jié)構(gòu)變形，確保變形滿足結(jié)構(gòu)變形及軌道變形要求；

⑥工程實(shí)施過程中，應(yīng)采取有效的預(yù)防及應(yīng)急措施，并進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并結(jié)合監(jiān)控數(shù)據(jù)，對土體開挖進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，動態(tài)施工。