箱涵開挖及回填加載對下臥地鐵區間的影響分析

董志超，石 湛

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010）

1 概述

1.1 擬建道路工程概況

擬建藍田路（遠大東路—人民東路）工程位于長沙經濟技術開發區，北起遠大東路，南至人民東路，道路等級為城市主干路，紅線寬度46 m，設計速度50 km/h，其中K1+630～K1+660段位于長沙地鐵6號線曹家坪站到龍峰站區間正上方。在道路樁號K1+652.3處需新建排水箱涵，箱涵為雙跨矩形結構，頂底板厚0.5 m，側墻中墻厚0.4 m，結構總寬度為11.2 m，總高度4.5 m，長度約117 m，采用C35鋼筋混凝土。

1.2 地鐵6號線曹家坪站—龍峰站區間工程概況

長沙地鐵6號線曹家坪站到龍峰站區間全長約1 243.8 m。區間線路縱坡為“V”字坡，線路出曹家坪站先后以2‰、24‰坡度下坡，再以10.567‰坡度上坡后到達龍峰站，區間軌面埋深約9.593～15.525 m。區間穿越地層為白堊系8-2中等風化泥質粉沙巖層。隧道管片的內徑5.5 m，厚度0.35 m，外徑6.2 m，目前整個區間已貫通。

1.3 相互位置關系及設計方案

擬建箱涵采用明挖法放坡開挖施工，開挖寬度20.68～30.68 m，開挖深度6.9～7.4 m，與地鐵區間隧道豎向最小凈距約2.5 m。箱涵施工完成后，箱涵上方藍田大道范圍需要回填施工道路，在既有渠底標高上填方高度約7.7 m，新建箱涵上方覆土高度約4.5 m。箱涵與地鐵區間的位置關系如圖1、圖2所示。

圖1 新建箱涵與地鐵6號線位置關系平面圖

圖2 新建箱涵與地鐵6號線位置關系剖面圖

2 工程地質與水文地質條件

地層自上而下依次為第四系全新統1-1素填土、1-2雜填土，第四系中更新統3-1粉質黏土層、3-4中粗砂層，基巖為白堊系7-2強風化泥質粉砂巖、8-2中等風化泥質粉沙巖層。8-2中等風化泥質粉沙巖層為粉砂質結構，中厚層狀構造，泥質膠結，巖芯較完整，巖芯呈柱狀、塊狀為主，天然單軸極限抗壓強度標準值2.57 MPa，巖質較軟。

上層滯水主要靠大氣降水補給，以蒸發或向下滲透到潛水中的方式排泄；中粗砂層潛水主要以向上滲透到填土層的方式排泄；基巖裂隙水總體透水性差，富水性貧乏，弱透水性。本區間隧道位于深部，隧道在中等風化泥質粉砂巖<8-2>中穿過，中等風化泥質粉砂巖<8-2>透水性差，富水性貧乏，對隧道掘進施工影響較小。

3 安全保護標準

根據CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》和GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》，并參考其他關于軌道交通規劃、運營等方面的規定，結合長沙地鐵工程的實際情況，提出如下保護標準：施工引起隧道結構水平位移、豎直位移、凈空收斂值不超過10 mm，變化速率小于1 mm/d。

4 計算模型

用Midas GTS NX有限元分析軟件模擬箱涵基坑開挖、結構回筑與路基回填對地鐵6號線區間的影響。為減小基坑開挖對下臥區間的影響，基坑采用跳艙開挖方式，三維地層計算模型如圖3所示。

圖3 有限元網格模型

根據現場實際情況模擬基坑開挖及回筑工序：平衡地應力；激活6號線盾構隧道管片，鈍化盾構隧道范圍內土體，重置位移為0；分部開挖箱涵邊坡至坑底；激活箱涵結構與外側土體單元，施加路基回填荷載。

5 計算結果分析

5.1 基坑開挖階段

基坑工程由于開挖卸載，基坑側壁發生側向位移，坑底產生一定的隆起變形，地面發生沉降，也帶動基坑下方的隧道發生側向和豎向變形，其變形量的大小是判別基坑變形和穩定的重要依據。基坑開挖過程中，隧道結構變形如表1所示。

表1 基坑開挖階段隧道結構變形表

5.2 基坑回填階段

由于回填加荷，基坑側壁發生側向位移，地面發生沉降，也帶動基坑下方的隧道發生側向和豎向變形。基坑回填過程中，隧道結構變形如表2所示。

表2 基坑回填階段隧道結構變形表

6 隧道結構內力檢算

采用修正慣用法對箱涵施工前后的隧道斷面進行內力檢算，剛度折減系數η=0.75，彎矩提高系數ξ=0.3。

正常施工條件下，按照現有的藍田路設計工況，路基回填加載后結構內力將會增大20%，但是隧道結構配筋（內外側均配置12Φ18）可以滿足結構安全和正常使用要求。為減小對既有區間的影響，建議路基采用輕質填料減小荷載，同時區間上方應避免大型機械振動碾壓。

7 結語

通過數值計算分析，在中風化泥質粉砂巖地層條件下，通過細化施工組織，采用分部跳艙開挖降低卸荷效應，減少基坑暴露時間，回填輕質路基材料減少加載等措施可有效控制既有隧道的豎向位移與受力，其設計思路與經驗可為類似工程提供參考。