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西鄉街道，屬珠江口獨立入海河流。由于河道現狀暗渠化嚴重（暗渠約占85%），現狀下游暗涵（2孔3.0m×1.5m）過流能力嚴重不足，且因兩側緊鄰建筑影響范圍廣，現狀悅和路下暗涵進行擴增斷面改造難度大，因此在現狀河道暗涵清淤的基礎上，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年一遇的防洪標準要求。

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，箱涵底部標高為0.900m。根據地鐵車站竣工圖可知，地鐵車站頂標高為0.739m，箱涵底部離車站頂部僅16.1cm（見圖1）。根據《城市軌道交通安全保護區內工程建設管理工作辦事指南》相關規定，車站上方基槽開挖嚴禁采用灌注樁、鋼板樁等支護方式。因此，結合現場實際情況，擬采用人工分層開挖方式進行施工，并通過有限元軟件建模分析分洪箱涵基坑分層開挖對地鐵車站結構安全的影響。結果表明，該段箱涵可采用分層開挖方式進行施工。

圖1 分洪箱涵與地鐵結構橫斷面

2 結構安全分析技術路線

基坑開挖主要施工步驟包括：場地平整→軸線與基坑邊線測量→坡頂排水系統、變形監測布點及初值測定→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→施工期間持續監測→基坑支護工程完工→分項工程竣工驗收。根據施工步驟可得出，基坑開挖施工對結構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構的應力重分布和變形。

2）基坑開挖過程中施工車輛、材料堆載等臨時超載會對車站結構產生附加荷載。

3）土方開挖過程中，土體應力釋放會引起車站結構的附加荷載。

為評估分洪箱涵基坑開挖施工對地鐵車站結構安全的影響，本文采用理論分析與建立二維數值模型相結合的方法進行評估分析。整個基坑開挖施工過程對地鐵車站結構影響分析技術路線如下。

1）根據相關理論和規范的計算方法，計算分析基坑開挖施工過程中基坑的整體穩定性、內力分布及變形情況，評價隧道結構的安全穩定狀況。

2）根據分洪箱涵基坑支護結構與地鐵車站結構的空間幾何關系、地層信息和施工邏輯關系，建立二維數值仿真模型。

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構應力重分布和變形情況，評估其對地鐵車站結構的安全性影響。

4）根據二維數值模型計算基坑工程與地鐵車站結構空間和力學響應分析成果，結合理論分析計算結果，對基坑開挖過程中地鐵車站結構的安全穩定性給出評價結論，并提出科學、安全、合理的基坑設計和施工建議。

3 基坑開挖理論計算分析

3.1 施工期間卸載開挖抗浮計算

擬建分洪箱涵采用放坡開挖施工，基坑開挖后，地鐵車站結構卸載對局部抗浮有影響。根據本區段工程地質剖面圖，勘測期間地下水位標高為-0.040～0.220m，按較高水位標高0.220m核算，地鐵車站結構每延米浮力值F=2 528kN，而每延米結構自重G=2 786kN，抗浮系數取1.05，G＞1.05F=2 654kN，滿足要求，且地鐵車站為全現澆結構，卸載不會對地鐵車站抗浮產生影響。

3.2 分洪箱涵運營后對地鐵車站結構影響分析

分洪箱涵穿越地鐵車站段為雙孔3m×2m方箱涵，方箱涵混凝土強度等級為C30，抗滲等級P6，現澆鋼筋混凝土結構，采用結構自防水，穿越地鐵車站不設變形縫。從荷載變化分析，地鐵車站結構上覆土厚度3.31m，覆土重度按18kN/m3計算，覆土的豎向荷載q=59.58kN/m2，分洪渠內設計水位為滿流，結構自重+內水的荷載值q=40.20kN/m2，荷載有所減小，分洪箱涵運營期間不會對地鐵車站產生附加應力。由此分析可見，分洪箱涵運營后對地鐵車站結構不會產生不利影響。

3.3 整體穩定性驗算

基坑支護結構的整體穩定性可采用圓弧滑動條分法進行驗算，其整體穩定性應符合下列規定：

式中，Ks為圓弧滑動整體穩定安全系數；安全等級為一級、二級、三級的錨拉式支擋結構，Ks分別不應小于1.35、1.30、1.25；Ks,i為第i個滑動圓弧的抗滑力矩與滑動力矩的比值，抗滑力矩與滑動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）和內摩擦角（°）；bj為第 j土條的寬度（m）；θj為第j土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角（°）；lj為第j土條的滑弧段長度（m），取 lj=bj/cosθj；qj為作用在第 j土條上的附加分布荷載標準值（kPa）；△Gj為第j土條的自重（kN），按天然重度計算；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，對地下水位以下的砂土、碎石土、粉土，在基坑外側可取uj=γwhwa,j，在基坑內側，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土條滑弧面中點的垂直距離（m）；hwp,j為基坑內地下水位至第j土條滑弧面中點的垂直距離（m）；R'k,k為第k層錨桿對圓弧滑動體的極限拉力值（kN）；應取錨桿在滑動面以外的錨固體極限抗拔承載力標準值與錨桿桿體受拉承載力標準值（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為計算系數，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；土層內側降水最終深度3.50m，外側水位深度1.00m；土層參數如表1所示。

表1 土層參數

利用瑞典條分法計算得出的邊坡整體穩定，安全系數滿足規范要求。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值計算與工況分析

4.1 本構模型

本次分析采用巖土、隧道結構專用有限元分析軟件Midas/GTS NX進行計算，該軟件可方便地進行回填、開挖及施加支護結構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，即每個施工階段都繼承上一個施工階段的分析結果，并累加本施工階段的分析結果，即上一個施工階段中結構體系與荷載的變化會影響后續階段的分析結果。

為研究施工過程中各結構構件的荷載效應指導設計，本次分析土體材料本構模型取用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）彈塑性模型。該模型模擬的是彈性-完全塑性的本構關系，其典型的應力-應變曲線如圖2所示。應力在達到屈服點前與應變呈正比關系，超過屈服點時應力-應變關系為水平線。襯砌結構材料按線彈性考慮。

圖2 彈性-完全塑性本構模型

德魯克-普拉格模型的屈服函數如下：

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

4.2 模擬工況

根據建設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方式。

本次數值計算分析模型中，土體采用平面應變單元模擬，地鐵車站結構采用梁板單元模擬，按照工程設計方案中構件實際截面特性確定。計算模型范圍以基坑外輪廓為基準，外擴一定距離后（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。基坑開挖3.3m，分層開挖，每層厚度1.1m，各計算分析工況如圖3所示。

圖3 各工況計算分析

4.3 各工況計算結果

在實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，根據本基坑與鄰近地鐵區間隧道的平面及立體關系，以及基坑工程支護結構設計及施工特點，選取靠近地鐵一側的1個斷面進行有限元計算，分析基坑開挖到坑底過程中隧道結構的變形情況。

通過計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，各工況模擬計算結果表明：當完成基坑土體開挖后，基坑及車站結構發生變形最大，車站結構最大水平變形0.04mm，最大豎向變形1.1mm（隆起）。

根據深圳地鐵集團有限公司印發的《城市軌道交通安全保護區內工程建設管理工作辦事指南》中的《城市軌道交通安全保護第三方監測控制指標》有關規定：城市軌道交通隧道結構設施絕對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構水平變形和豎向變形均滿足規定要求，基坑開挖過程中地鐵車站結構安全穩定。

5 計算分析結論

1）根據理論計算，分洪箱涵施工期間，地鐵車站上部土體卸載后抗浮滿足計算要求，分洪箱涵放坡開挖時邊坡整體穩定性滿足相關規范要求，地鐵車站頂部荷載小于原覆土重量，不會對地鐵車站產生附加應力，分洪箱涵使用后不會對地鐵車站結構產生不利影響。

2）根據數值分析，基坑開挖卸荷施工擾動引起車站結構水平變形為0.04mm，引起隧道結構隆起為1.1mm。分洪箱涵開挖施工對地鐵結構的影響在規范要求范圍之內，不影響地鐵正常運行。

6 分洪箱涵施工期間保護措施建議

1）開挖過程精細化，采用人工分層開挖方式。如地鐵車站防水保護層較厚，已進入分洪箱涵墊層或結構層，需及時與業主方及設計溝通，協商處理。

2）開挖后，地鐵車站結構頂板上不得行駛或停放大型機械設備，荷載不得超過地鐵車站頂板設計荷載。

3）分洪箱涵基坑開挖至設計標高后，基槽范圍內滿鋪C15混凝土墊層，避免后續施工工序對防水層造成破壞。

4）分洪箱涵肥槽回填石粉渣，壓實系數不低于0.95，地鐵車站上方0.5m范圍內應采用非振動的輕型壓實機具，覆土0.5～1.2m，不得使用機重超過15t的重型靜碾，且不得使用振動碾施工。

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，至地鐵車站結構上方0.5m采用人工開挖，避免超挖對地鐵結構側墻造成損壞。

6）根據有限元計算，地鐵結構位移最大值發生在分洪箱涵開挖到底的工況，因此分洪箱涵施工時應縮短基底的暴露時間，盡早施作分洪箱涵結構并回填。

7）施工過程中加強監測頻率，嚴格按要求制定相關應急處理措施。

8）考慮到施工期間可能遇到的極端事故工況應做好應急搶險預案，同時準備充分的應急物資。