溝槽基坑上穿城市地道的影響分析

牟曉偉

（青島水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000）

1 工程背景

本工程為某綜合改造市政配套二期工程，根據(jù)規(guī)劃，本工程范圍內(nèi)城市區(qū)域由自排區(qū)（直排河道）改為強(qiáng)排區(qū)（通過水泵提升后排入河道），本工程根據(jù)規(guī)劃敷設(shè)DN2 200～DN2 400 雨水管，其中DN2 200雨水管上穿城市地道工程平面位置見圖1，位于兩條道路的交叉口附近。

圖1 穿越城市地道位置示意圖

城市地道盾構(gòu)中心縱斷面見圖2，在DN2 200雨水管上穿盾構(gòu)處，地面標(biāo)高為4.328 m，盾構(gòu)段頂部標(biāo)高為-6.99 m，底部標(biāo)高為-20.94 m，中心標(biāo)高為-13.965 m，盾構(gòu)部分外直徑為13.95 m，隧道內(nèi)徑為12.75 m，隧道環(huán)寬2 m，采用通用環(huán)錯(cuò)縫拼裝。

圖2 圓形隧道盾心縱斷面示意圖（單位：mm）

2 設(shè)計(jì)思路

該新建雨水管采用溝槽開挖的方式敷設(shè)，基坑尺寸為4.8 m 寬度、20 m 長度、5.628 m 挖深度，周邊環(huán)境復(fù)雜，安全等級(jí)為三級(jí)，因一倍基坑深度范圍內(nèi)有城市盾構(gòu)段，故環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，該基坑底部距離盾構(gòu)段的垂直距離為5.69 m。DN2 200 管道上穿城市的溝槽平面和剖面見圖3、圖4。

圖3 上穿城市地道基坑圍護(hù)平面布置圖（單位：mm）

圖4 上穿城市地道基坑圍護(hù)剖面圖（單位：mm）

采用溝槽開挖的形式，兩側(cè)用MJS 樁φ2 600 擺噴@800，內(nèi)插型鋼HN700×300×13×24，坑底至地面上用MJS 樁滿堂加固，溝槽開挖至最底處時(shí)底部有三米厚MJS 加固。內(nèi)部支撐采用φ609×16 鋼管支撐@4 000，每隔4 m 設(shè)置一道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐的長度為4.8 m。

3 抗浮設(shè)計(jì)

上穿城市地道基坑開挖對(duì)下部隧道抗浮可能產(chǎn)生影響，若一次性整體開挖，使得底部城市地道上部覆土減少從而引起上浮，故采用分段開挖來控制地道的上浮。分段開挖[1]必須嚴(yán)格控制基坑一次性開挖長度，見圖5。因此，該基坑施工流程如下：

圖5 上穿城市地道基坑開挖示意圖（單位：mm）

（1）首先測(cè)量擬建工程場(chǎng)地，并按設(shè)計(jì)圖紙的標(biāo)高要求平整場(chǎng)地。

（2）地面上放坡開挖，開挖基坑兩側(cè)采用0.5∶1放坡。

（3）兩側(cè)用MJS 樁φ2 600 擺噴@1 300，基坑兩側(cè)插入型鋼HN700×300×13×24@800。地面上MJS 樁滿堂加固施工。

（4）加固完成后，開挖至標(biāo)高2.428，然后澆筑鋼筋混凝土圍檁,鋼管支撐施加10 kN 預(yù)加力。圍檁中心標(biāo)高2.928。

（5）待圍檁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，基坑內(nèi)部分段開挖至標(biāo)高-1.300。溝槽開挖時(shí)，開挖基坑兩側(cè)沿管道敷設(shè)方向采用1∶0.5 放坡。每段開挖時(shí)長不得超過1 d，總時(shí)長不超過12 d。

（6）隨著管道的敷設(shè)完畢，利用水泥土回填壓密實(shí)，坡率1∶0.5，確保每次開挖基坑底部的每段縱向長度不大于2.5 m。

（7）施工過程中，DN2 200 管道內(nèi)部堆積不少于管道一半體積的沙袋。

（8）施工過程中，底下水位控制在3.328 以下。

抗浮設(shè)計(jì)分為兩個(gè)工況，分別為施工過程中和施工完成后。施工過程中當(dāng)未采取任何有效抗浮措施時(shí)，抗浮系數(shù)計(jì)算得0.73＜1.05，整個(gè)地道抗浮破壞。當(dāng)考慮了沙袋堆壓和分段開挖、水泥土分段回填的有利因素，抗浮系數(shù)為1.08≥1.05，工況抗浮滿足要求。施工完成后撤去所有沙袋，同時(shí)考慮了水泥土回填完整的有利因素，抗浮系數(shù)為1.138≥1.05，抗浮工況滿足要求。

通過對(duì)比分析采取措施前后計(jì)算結(jié)果可以得到當(dāng)采用分段開挖的方法，嚴(yán)格控制每段開挖的時(shí)間，并在管道施工過程中在管道內(nèi)部堆積沙袋，同時(shí)回填土采用密度較大的水泥土等措施，可以有效避免已建地道受到浮力而破壞。

4 變形分析

新建管道采用溝槽開挖的方式埋設(shè)，溝槽開挖會(huì)對(duì)軌道交通區(qū)間地道產(chǎn)生一定的影響。隧道上部河道土體開挖，隧道埋深減少，土壓降低，垂直荷載下降，隧道產(chǎn)生附加變形及附加內(nèi)力會(huì)對(duì)盾構(gòu)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致地道盾構(gòu)管片破裂、接縫張開，影響地道車輛通行[2]。

為分析溝槽開挖對(duì)地道變形的影響，采用Plaxis 3D有限元軟件對(duì)上穿城市分析，本模型考慮施工時(shí)可能出現(xiàn)回填土不及時(shí)，按最不利工況(沒有回填)進(jìn)行計(jì)算[3，4]。為減小邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，根據(jù)隧道埋深和周邊環(huán)境，計(jì)算范圍設(shè)置如下：模型深度為100 m，水平向120 m。溝槽設(shè)計(jì)底高程與隧道拱頂?shù)木嚯x約為5.69 m，地下水位線位于地表以下0.5 m。在土體初始應(yīng)力平衡后將基坑開挖分為8 個(gè)工況分步計(jì)算：城市地道盾構(gòu)施工完成；城市地道內(nèi)部清空土體并降水；地面上放坡開挖，并插入型鋼；MJS 土體滿堂加固；基坑內(nèi)部降至指定水位線；溝槽開挖至第一道支撐下部指定位置；第一道支撐施工；溝槽開挖至基坑坑底部，開挖完畢。

土體采用三角形單元；圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鄰近基礎(chǔ)、工程樁采用梁單元；地道采用板單元；內(nèi)支撐采用彈簧。考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鄰近基礎(chǔ)、工程樁和隧道與土體共同作用。在管線相應(yīng)位置建立節(jié)點(diǎn)，來間接反映基坑開挖對(duì)地下管線的影響(即不考慮管線自身的剛度影響)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土之間設(shè)接觸面單元。該模型在巖土工程中應(yīng)用較多。計(jì)算中不同分層土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數(shù)由勘察報(bào)告提供，彈性模量則根據(jù)大量類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到。模型[5]的四周邊界施加水平方向位移約束，模型見圖6，結(jié)果見圖7、圖8。

圖6 P la xis 3D 計(jì)算模型

圖7 P la xis 3D 模型變形云圖

圖8 城市地道變形云圖

經(jīng)仿真計(jì)算，城市地道處土體的最大豎向位移為6.09 mm，最大水平位移為2.05 mm。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）及地方標(biāo)準(zhǔn)，最大側(cè)向位移限值為0.18%倍基坑深度即10.13 mm，最大沉降限值為0.15%倍基坑深度即8.442 mm,變形均滿足要求。因該地道形式與地鐵盾構(gòu)相似，根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）并參考地鐵保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，下部地道結(jié)構(gòu)變形應(yīng)小于20 mm。有限元結(jié)果得出該城市地道水平位移0.504 mm，豎向位移2.18 mm，土體的水平位移和豎向滿足下部地道變形小于20 mm 的要求[6]。

5 結(jié) 論

（1）城市地下新建管道施工中，新建管道從上部穿越較大的已建地道時(shí)，易使地道的承受較大的浮力而破壞。針對(duì)這種問題，建議采取分段、分層、限時(shí)開挖，避免超挖，減小隧道的變形量，并可以在管道施工過程中在管道內(nèi)部堆積沙袋，同時(shí)回填土采用密度較大的水泥土等措施，可以有效避免已建地道受到浮力而破壞。

（2）由于新建管道溝槽開挖產(chǎn)生土體變化，從而引起既有地道結(jié)構(gòu)的變形。針對(duì)這種問題，采用有限元分析的方法，通過驗(yàn)算最不利工況(沒有回填)，考慮基坑底部采用MJS 注漿加固的影響，判斷開挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)的豎向隆起變形和水平位移，通過有限元計(jì)算結(jié)果與限值比較從而確保既有結(jié)構(gòu)物的安全性。

（3）對(duì)于地下新建工程穿越既有結(jié)構(gòu)物，若變形或抗浮不滿足要求時(shí)也可進(jìn)一步采用擴(kuò)大MJS 注漿使用范圍、施工期間溝槽旁放置施工機(jī)械等措施，相應(yīng)措施有待于進(jìn)一步研究。