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摘要：本文結(jié)合某市政人行過街通道明挖基坑工程位于既有地鐵既有隧道的工程案例，利用三維數(shù)值模擬軟件Midas/GTS對該基坑工程施工全階段過程引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力進(jìn)行建模分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷既有隧道工程的安全性，并給出相關(guān)優(yōu)化建議。對比數(shù)值模擬結(jié)果與地鐵保護(hù)要求的相關(guān)數(shù)據(jù)，地鐵隧道變形和裂縫均滿足地鐵保護(hù)要求，結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：人行通道；基坑開挖；盾構(gòu)隧道；數(shù)值模擬；地鐵保護(hù)

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

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)計參數(shù)

根據(jù)基坑設(shè)計方案，基坑最深約8.7m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ800@1200鉆孔灌注樁+Ø650@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)計原則

①基坑設(shè)計使用年限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)計水位取地面下0.5m。

3數(shù)值分析

3.1計算模型

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85070個，單元112484個。在模型中，根據(jù)設(shè)計圖紙及詳勘資料：土體從地表往下簡化為4層，采用實體單元混合網(wǎng)格模擬，計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（shellelement）模擬[2]。計算模型如圖1所示。計算所用參數(shù)見表1和表2。

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個部分，如表3所示，本文取最不利工況結(jié)果。

3.4計算結(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結(jié)論。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；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)。選取工況9（最不利工況）計算結(jié)果見圖5~圖7。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)行裂縫驗算分析，分析結(jié)果如表4，最不利工況計算云圖如圖8。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。

4結(jié)語

①結(jié)合類似工程經(jīng)驗，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開挖時隧道的影響較大，應(yīng)加強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，基坑周邊補充設(shè)置水位觀測井（檢驗止水帷幕效果），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，及時啟動回灌措施。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。

作者：茅燕兵 單位：廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司