運營地鐵上方箱涵施工數值模擬分析與實測研究

陳紅星，吳康寅，周 浩

[悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州215123]

1 概述

蘇州高鐵新城民四南路箱涵工程位于在運行軌道2 號線淺埋段，軌道結構頂面至現狀地表覆土厚度約為3.0 m。箱涵跨越規劃河道，規劃河寬15 m，河道尚未開挖。

考慮到減少施工期間對軌道的影響，并結合河道同步施工，方案采用箱涵結構。箱涵作為狹長型基坑，其開挖將會對下方既有蘇州軌道交通2 號線工程的穩定性產生影響，其最本質的原因是箱涵的開挖卸荷引起軌道周邊土體應力狀態的重新分布，從而導致一系列力學行為的變化[1，2]。因此，研究制定合理的工程方案，分析箱涵施工對在軌道的影響對保證軌道的安全運行具有重要的意義。

2 工程方案

蘇州軌道交通2 號線高鐵蘇州北站—大灣站區間采用明挖暗埋的形式，暗埋段北起高鐵蘇州北站至隧道洞口DK0+830 為地下矩形隧道。本段區間主體結構為單跨或雙跨一層箱型框架結構，區間結構外包寬度21.35～11.424 m，覆土厚度1.803～3.96 m。區間與車站接口由于處于道岔區未設置變形縫，結構鋼筋均從車站預埋的鋼筋接駁器上接出；暗埋段與敞開段接口處設置變形縫。

考慮到減少施工期間對軌道的影響，并結合河道同步施工，工程方案采用箱涵結構。涉軌范圍的箱涵由若干個3 m×3.4 m 預制小節段組成，箱涵節段采用預制后吊裝的方案，出了軌道范圍后，考慮到施工方便和周邊景觀需要，采用現澆的單孔箱涵，跨徑為凈9～14.4 m，見圖1。

圖1 箱涵節段橫斷面總體布置圖（單位：cm）

箱涵施工時采取以下措施：

（1）僅在夜間軌道停運期間進行施工。

（2）施工時采用分倉分格小節段施工，嚴格按照挖一段吊裝一段的步驟，避免開挖土方過多造成軌道暗埋段上浮，見圖2。

圖2 箱涵與軌道2 號線斷面關系圖（單位：cm）

（3）施工過程中，嚴格檢測軌道暗埋段結構及軌道設施（行車軌道等）的變形量?，F場準備充足的配重沙袋，若土方開挖后，軌道結構變形超過相關要求，則立即停止開挖施工，向基坑內堆載事先準配好的沙袋配重，直至暗埋段結構變形穩定。

3 箱涵施工對軌道的影響分析

3.1 有限元模型建立

箱涵位于地鐵結構上方，根據箱涵基坑幾何尺寸并結合基坑開挖施工對臨近環境影響范圍的現場監測經驗，本模型計算深度取30 m；箱涵整體長約39 m，南北最寬約16.6 m，箱涵位于軌道2 號線上方偏西側，其中箱涵西端距地鐵右線邊緣約17.4 m，箱涵東端距地鐵邊緣約5.6 m。因地鐵軌道外包距離約16 m，為充分考慮箱涵整體結構，優化計算模型，提高計算效率，對垂直于地鐵隧道軸向方向的東西方向取為64 m，東側及西側參照按軌道中心線分別對稱取至距軌道邊緣24 m 處；南北方向箱涵尺寸小于東西方向，計算范圍以箱涵中心線為軸按南北對稱取為58 m。

模擬箱涵分節段施工，對土體、箱涵結構、地鐵區間隧道結構進行三維精細模擬，土體、地鐵結構外墻、箱涵整體結構均采用實體單元。本基坑開挖無支護結構，采用放坡形式，根據現場施工最不利工況，放坡坡腳取為75°。根據計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元24680 個。建立的“地鐵- 土體- 箱涵”的三維計算模型見圖3、圖4。

圖3 地鐵- 土體- 箱涵有限元計算模型

圖4 箱涵有限元計算模型

3.2 材料本構模型和計算參數

（1）土層本構關系及參數

地基各土層采用彈塑性D-P 模型, 各地質土層的主要物理參數見表1（分為八個土層：1-1 回填土，1-2 淤 泥，1-3 素 填 土，2-1 淤 泥 質 粉 質 黏 土，3 黏土，4 粉質黏土，5 粉土，6 粉質黏土夾粉土，7 粉土，8粉質黏土），見表1。

表1 地勘土體參數表

（2）混凝土本構關系及參數

混凝土本構關系采用理想彈性模型，相關取值見表2。

表2 混凝土計算參數

3.2 施工過程

本項目箱涵由中部8 個預制節段及兩端部敞口段組成，隧道頂部箱涵分節段由西向東逐節吊裝，見圖5。箱涵施工完成后上部作用30 kPa 的車輛載荷。

圖5 箱涵施工順序示意

3.3 計算結果

由于箱涵結構施工，基坑開挖卸載，其底部土體回彈，坑底變形隆起、周邊地表沉降，從而帶動下臥地鐵隧道區間發生變位，其變形量的大小是判別地鐵隧道結構穩定與否的重要依據?！冻鞘熊壍澜煌ńY構安全保護技術規范》（CJJ/T 202—2013）中規定軌道結構安全控制值指標為：結構最大水平位移小于20 mm，隧道變形曲率半徑大于15000 m，相對曲率不大于1/25000[3]。

計算結果表明，由于箱涵結構位于地鐵結構上方，地鐵區間變形以豎向變形為主。施工完成后土體最大隆起量為12.47 mm，地鐵結構豎向最大隆起量為2.1 mm；區間隧道變形曲率半徑最小為53378 m，相對變形曲率1/7207，見圖6、圖7。根據施工期間監測結果，施工完成后土體累計隆起量為8.13 mm，地鐵結構豎向最大隆起量為1.2 mm；區間隧道變形曲率半徑為82000 m，相對變形曲率1/5168，實測結果與計算結果較為接近，均滿足規范要求。

圖6 模型豎向位移

圖7 周家嘴項目全預制構件生產圖

圖7 地鐵結構豎向位移

4 結語

受到開挖卸荷及回填加載影響，箱涵結構開挖及回填引起地鐵區間隧道發生位移。本文就高鐵新城民四南路箱涵建立了“地鐵- 土體- 箱涵”的3D 模型，充分考慮了土與箱涵結構、土與地鐵結構的空間作用，計算了箱涵結構分節段開挖、分序吊裝的地表變形及地鐵結構的變位，得出結論如下：

（1）對箱涵結構采取分節段施工，各節段開挖及回填量很少，對地鐵結構的變形擾動影響較小。

（2）實測結果表明施工完成后土體最大隆起量為8.13 mm，地鐵結構豎向最大隆起量為1.2 mm；區間隧道變形曲率半徑最小為82000 m，相對變形曲率1/5168，實測結果與計算結果較為接近，均滿足城市軌道交通結構安全指標控制值。

（3）本文通過建立三維有限元模型分析了蘇州高鐵新城民四南路箱涵結構分段開挖、分序吊裝對地表變形及地鐵結構的影響，并與現場實測數據進行對比分析，以確保下臥地鐵結構的安全運行，可為類似工程提供借鑒和參考。