上跨城軌段基坑開挖安全性模擬及施工控制

張江雄 尤偉軍 肖 毅 賴仲棟 孫輝輝 方 圓

(中建三局第一建設工程有限責任公司 武漢 430040)

隨著現代城市化進程加快，地鐵和基坑工程規模不斷增加。鑒于建設時序和空間原因，必然會存在后續基坑開挖對下方地鐵隧道造成安全隱患的問題。評估基坑開挖對已有重要建筑的影響及圍護結構安全是類似工程動工前的首要任務[1]。

目前，我國在近地鐵基坑開挖技術方面，文獻[2]研究了基坑隆起計算方法及影響深度，且用理論解析的方法推導了開挖卸荷條件下側向土體對下臥盾構隧道的影響；文獻[3]通過三維數值模擬分析，對基坑施工全過程進行動態模擬，分析結果為：基坑開挖、回筑過程中已建地鐵車站、區間隧道的位移變形均能滿足相關規范要求，驗證了基坑開挖、加固方案的有效性；文獻[4]從實測統計與數據分析的角度研究基坑開挖對下方盾構隧道的影響。目前對MJS工法門式加固在上跨段應用研究較少，且一般僅考慮隧道上浮量而對管片接縫縫隙關注較少。本文采用midas GTS軟件從管片上浮、接縫張開量及圍護結構變形等方面模擬計算MJS工法加固下基坑開挖對城軌隧道的影響，并提出相應的安全控制措施。

1 上跨城軌段施工方案

1.1 工程概況

十字門隧道北起珠海市南灣大道，沿會展四路向南敷設，過馬騮洲水道后至橫琴島，沿榮粵路繼續向南敷設至匯通二路交叉口，穿越水道采用盾構法施工，其他段為明挖法施工。

隧道在橫琴區榮粵路與匯通五路十字交叉口處(YK0+342.8-YK0+380)與珠機城軌垂直正交，相交段長40 m，為明挖施工，開挖深度8.38～10.3 m，結構底距珠機城軌凈距8.1～9.2 m，珠機城軌為盾構隧道，埋深10.8 m，管片外徑8.5 m，內徑7.7 m，隧道上跨城軌段立面圖見圖1。

圖1 隧道上跨城軌段立面圖(單位：m)

1.2 施工概況

隧道上跨城軌段施工整體思路為：先采用H形鋼墻結合MJS門式基坑加固，接著進行冠梁和鋼筋混凝土支撐體系施工，最后分一期、二期進行基坑開挖。其中，基坑四周樁頂設置800 mm×800 mm冠梁，一期基坑和二期基坑分界處樁頂設置900 mm×800 mm冠梁；坑內支撐為“1層鋼筋混凝土撐+2層鋼管撐”，首層為4道水平撐和四角各2道斜撐，鋼筋混凝土撐尺寸為800 mm×800 mm，以下2層鋼管撐采用直徑×壁厚=609 mm×16 mm鋼管，布置形式與首層混凝土撐一致，基坑加固平面圖和剖面圖見圖2。

圖2 基坑加固圖(尺寸單位：mm)

2 數值模擬

2.1 數值模型建立

1) 土層參數及支護結構參數。依據該段地勘報告，本次分析的土層結構選取包含人工填土、淤泥、粗砂、淤泥質黏土、含粗砂粉質黏土、全風化花崗巖、全風化花崗巖、中風化花崗巖，其土層物理力學參數見表1。依據該段圍護結構設計圖，支護結構包含冠梁、混凝土撐、工字鋼圍檁、鋼管撐和H形鋼，支護結構參數及本構關系見表2。

表1 土層物理力學參數

表2 支護結構參數及本構關系

2) 三維模型的建立。幾何模型計算區域的選取充分考慮了基坑開挖引起的邊界效應，根據現有研究，基坑外水平向幾何尺寸取基坑開挖深度的3～5倍以上，豎直向取2～4倍以上。因此，計算模型三維尺寸為150 m×150 m×70 m，MJS加固段整體模型見圖3，基坑支護結構有限元模型見圖4。

圖3 MJS加固段整體模型 圖4 基坑支護結構有限元模型

模型中土體、巖體采用三維實體單元，冠梁、圍檁及鋼筋混凝土支撐均采用梁單元模擬，H形樁墻、城軌隧道管片均采用板單元模擬。計算過程中荷載考慮各土層重力、施工機械荷載及支護結構重力，坑頂按設計圖規定的區段超載不得大于20 kPa，約束有限元底部豎向位移、模型各側面的法向位移，計算模型中各支護結構的變形、彎矩。

2.2 模擬工況設計

本次分析主要設置降水和不降水2種工況，工況一為降水施工工況，即基坑開挖前依次降水至開挖坑底下0.5 m處；工況二為不降水開挖工況，開挖分析施工步序見表3。

表3 開挖分析施工步序

3 數值模擬結果分析

分析基坑降水與不降水2組工況，探討不同降水情況下，基坑開挖對既有珠機城軌隧道的結構影響，為了清楚表示其影響，將詳細展示珠機隧道結構Y、Z方向的位移云圖、彎矩云圖。

3.1 對隧道位移影響分析

連續分析不同開挖步序下左、右線隧道在Y、Z方向的位移云圖(以下為工況二對應位移云圖，工況一與工況二的對應相似，故不予列出)、提取各施工步序下最大位移，基坑開挖隧道Y方向和Z方向位移變化見圖5和圖6。

圖5 基坑開挖隧道Y方向位移變化

圖6 基坑開挖隧道Z方向位移變化

由圖5～6可知，珠機隧道結構Y、Z方向的位移變化受降水影響較大。對于工況一，右線隧道Y、Z方向最大位移分別為3.19 mm和8.08 mm，左線隧道Y、Z方向最大位移分別為3.97 mm和8.62 mm，分別對應一期及二期基坑開挖至坑底時；工況二為不降水開挖工況，Y、Z方向最大位移較降水工況均有增大，位移變化趨勢與工況一一致。依據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》，各施工過程引起的城際隧道豎向和水平位移均應小于20 mm限值，故既有珠機左、右線隧道結構均處于安全狀態。

3.2 對隧道彎矩影響分析

連續分析不同開挖步序下左、右線隧道在X、Y方向的彎矩云圖(以下為工況二彎矩云圖，工況一與工況二的彎矩變化趨勢對應相似，故不予列出)，提取各施工步序下最大彎矩，基坑開挖隧道X方向彎矩和Y方向彎矩變化圖分別見圖7和圖8。

圖7 基坑開挖隧道X方向彎矩變化圖

圖8 基坑開挖隧道Y方向彎矩變化圖

襯砌內徑d為7.7 m、外徑D為8.5 m，圓環截面抵抗矩：抗彎時W=π(D4-d4)/(32D)=19.69×109mm3，圓環截面積：S=π(D2-d2)/4=10.17×106mm2。由圖7～圖8可知，不降水開挖引起的彎矩較大，隧道X方向彎矩為45.32 kN·m，不會引起管片裂縫張開，Y方向最大彎矩為50.25 kN·m，按以下步驟進行管片接縫張開量驗算。

式中：N為螺栓預應力引起的軸向力，按規范取280 kN；M為外荷載引起的彎矩，N·mm；S為襯砌截面面積，mm2；W為襯砌截面距，mm3；σc為混凝土管片局部拉應力，MPa。

管片在拉應力作用下變形量為Δl，E為鋼筋混凝土彈性模量。

根據規范，盾構管片接縫張開量的控制值為3 mm，故管片接縫張開量滿足規范要求。

3.3 對圍護結構影響分析

為精確表示基坑開挖對圍護結構的影響，提取兩工況不同步序下H形樁墻在X、Y、Z方向最大位移(以下為工況二對應位移云圖，工況一與工況二對應相似，故不予列出)，降水與不降水2種開挖工況下H形鋼墻位移見圖9。

圖9 降水與不降水開挖工況下H形鋼墻位移

由圖9可知，基坑圍護結構H形樁墻各方向的位移變化受降水條件的影響較大，兩工況H形樁墻位移均在二期基坑開挖到坑底時達到最大值。在工況一條件下，H形樁墻X、Y、Z方向最大位移分別為3.96，8.37，7.00 mm；在工況二條件下，H形樁墻X、Y、Z方向最大位移分別為6.62，9.13，8.47 mm。根據規范[5]，各施工過程引起的一級基坑圍護結構水平位移均應小于限值30 mm，故基坑圍護結構H形樁墻處于安全狀態。

4 結語

本文以珠海十字門隧道上跨城軌段基坑開挖為研究對象，采用midas GTS對基坑開挖過程進行三維數值模擬，主要得到以下結論。

1) 基坑采用MJS門式加固及分兩期開挖可將隧道上浮量控制在規范值20 mm以下，方案有效可行。

2) 分兩期開挖時，二期基坑開挖過程中一期基坑上浮量由1.68 mm增大至2.12 mm，后挖二期基坑對先挖一期基坑有上浮影響，影響增量為26%。

3) 地鐵上浮量及基坑圍護結構受降水影響較大，降水開挖可將地鐵上浮量由9.83 mm降低至8.62 mm，降低幅度為14%。

4) 基坑開挖后及時施做底板可形成門式加固阻止隧道管片上浮，且對隧道有一定的回壓作用，隧道上浮量由3.19 mm降低至1.58 mm，回壓效果約為50%。

5) 基坑開挖前先進行基坑降水，沿隧道縱向設3排降水，降水至隧道腰部；基坑開挖過程中分塊、分小倉開挖，控制卸荷量和卸荷速度。