綜合管廊基坑上跨地鐵隧道結構施工影響分析

張衛(wèi)華 張瑋鵬

(廣州大學建筑設計研究院有限公司)

0 引言

基坑工程施工過程中，基坑支護結構的施工、基坑土方的開挖、周邊施工荷載的施加等動態(tài)活動因素必然會對場地現(xiàn)狀應力應變狀態(tài)產(chǎn)生一定程度的擾動，尤其當現(xiàn)狀場地內存在地鐵隧道等重要建構筑物時，需采用相關技術手段定性定量分析基坑工程施工對已有地鐵結構的影響，確保基坑工程施工不會影響地鐵結構的正常運營。

本文以某鄰近地鐵隧道結構的綜合管廊基坑工程為背景，采用Midas GTS-NX 三維有限元軟件對綜合管廊基坑開挖進行動態(tài)施工模擬分析，定性定量分析綜合管廊基坑開挖施工對地鐵隧道的影響，并得到一些初步結論。

1 工程概況

1.1 工程介紹

該綜合管廊項目里程K1+080～K1+480 段采用明挖基坑支護法施工，基坑開挖深度約為9m，基坑寬度約為40m，基坑支護方案為：Φ600@450 水泥攪拌樁格柵式加固坡面土體及基坑底土體（進入基坑底不少于3m）+Φ850@600 三軸水泥攪拌樁止水帷幕+1:1.0 坡率放坡+掛網(wǎng)噴砼+坡面植筋。基坑底位于粉質黏土層和砂質黏性土層中。

綜合管廊基坑與地鐵隧道在平面位置上為斜交上跨關系，明挖基坑底距離地鐵隧道頂距離大于6m，已建地鐵隧道為6m 直徑的標準盾構區(qū)間隧道，隧道頂位于砂質粘性土層中，隧道底位于全/強風化花崗巖層中。綜合管廊基坑與地鐵隧道的平剖面示意圖見圖1～圖3。

圖1 管廊基坑與地鐵隧道平面關系圖

圖2 管廊基坑與地鐵隧道縱斷面關系圖

圖3 管廊基坑與地鐵隧道橫斷面關系圖

1.2 工程地質及水文地質情況

本項目場區(qū)地貌為丘陵臺地區(qū)，屬山前沖洪積平原與剝蝕殘丘相間地貌，地表水系發(fā)育，場地巖土層自上而下劃分為：填土、粉質黏土、砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖。本場地地層的巖土工程特性和巖土設計參數(shù)建議值見表1。

表1 場地巖土工程特性和巖土設計參數(shù)建議值

2 三維有限元數(shù)值模擬分析

根據(jù)項目場地勘察資料、綜合管廊基坑支護設計圖紙及相鄰地鐵隧道的施工圖紙等提資，本次選取基坑支護結構、隧道外襯邊線外5 倍基坑深度范圍作為模型邊界，最終確定分析模型的大小（長×寬×高）為480m×200m×50m。慮巖土體為半無限體，模型以外不再考慮變形，即設定為固定邊界。模型頂面考慮20kN/m2地面活動荷載。建立的整體三維有限元模型如圖4、圖5 所示。

圖4 三維有限元分析模型（一）

圖5 三維有限元分析模型（二）

根據(jù)相關提資結合實際施工工況建立三維整體有限元模型，關鍵工況如下：

工況一：K1+080 ～K1+480 段施工水泥攪拌樁；K1+480 合景路交叉口處基坑施工灌注樁、旋噴樁；K1+080～K1+200 段管廊主體基坑依次分層開挖土體至基坑底。

工況二：K1+200～K1+320 段管廊主體基坑依次分層開挖土體至基坑底。

工況三：K1+320～K1+440 段管廊主體基坑依次分層開挖土體至基坑底。

工況四：K1+440～K1+480 合景路交叉口處基坑依次分層開挖土體、施工冠梁、施工砼支撐直至開挖至基坑底。

工況五：待K1+080～K1+480 段基坑全部開挖完后（最不利情況），再施工管廊主體結構，回填管廊主體基坑。

工況六：開挖接戶井及管線基坑，施工接戶井結構、鋪設管線。

經(jīng)過計算分析得鄰近隧道隨著基坑開挖施工發(fā)生的位移變化，位移云圖見圖6、圖7，基坑及地鐵隧道結構位移結果匯總表見表2。

圖6 基坑開挖到底時基坑位移云圖

圖7 工況六地鐵隧道總位移云圖

表2 基坑及地鐵隧道位移有限元計算結果

3 結論

基于項目基本工程概況、場地勘察資料、設計圖紙、施工方案、已建隧道結構圖紙等，通過上述基坑開挖對地鐵隧道影響的三維有限元模擬分析，可得到如下結論：

⑴綜合管廊基坑上跨地鐵隧道施工開挖，將使得地鐵隧道發(fā)生一定量的變形和位移，隧道結構的最大水平位移為2.92mm，最大豎向隆起位移為4.03mm，小于國標《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》地鐵隧道結構保護要求限制20mm。

⑵若基坑開挖期間地下水控制不當導致地下水位下降，雖地鐵結構豎向隆起位移會因水位下降造成上覆土體的有效壓力的增加而有所減少，但地鐵結構水平位移將增大、且內力將增大。

⑶地鐵隧道結構在基坑施工的第一個工況完成時，位移變形已經(jīng)接近最大值，是由于在K1+1080 段地鐵隧道位于綜合管廊隧道的正下方，地鐵隧道頂與綜合管廊基坑底的實際凈距離最近，因此該工況基坑開挖施工對地鐵的影響最大。

⑷綜合管廊基坑回填后，地鐵隧道結構的隆起趨勢得到遏制，且有往下沉的趨勢，但因管廊結構總體重度小于原狀土的重度，地鐵隧道在綜合管廊施工完成后，總體依舊呈略微隆起狀態(tài)。