地鐵車站基坑上跨盾構(gòu)隧道數(shù)值計(jì)算分析

鄭俊

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 引言

隨著我國城市軌道交通、城際鐵路以及市政通道等地下工程的快速發(fā)展，新建地下結(jié)構(gòu)與既有運(yùn)營(yíng)地下結(jié)構(gòu)很難避免存在近距離交叉或者相鄰關(guān)系。新建基坑的開挖會(huì)使既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形以及附加內(nèi)力，甚至導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、滲水、甚至破壞，影響既有地鐵的正常運(yùn)營(yíng)[1]。所以分析和控制深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響是緊鄰地鐵工程基坑開挖和既有地鐵保護(hù)的關(guān)鍵課題。

對(duì)于緊鄰既有地鐵或者城際鐵路的施工，應(yīng)根據(jù)兩者的相對(duì)位置關(guān)系、距離、既有結(jié)構(gòu)形式等采取不同地鐵保護(hù)措施。常用措施為加固基坑底部或者側(cè)向既有地鐵結(jié)構(gòu)周邊土層，對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)施作隔離樁，采用合理的基坑開挖工序，施作抗浮板，堆載反壓，合適的基坑降水方案，等等。

本文以深圳地鐵3號(hào)線南延福保站基坑上跨既有廣深港高鐵盾構(gòu)隧道為背景，運(yùn)用有限元軟件Midas-GTS對(duì)基坑開挖進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析不同基底加固方式對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)力及變形的影響，以選擇安全、經(jīng)濟(jì)合理的盾構(gòu)隧道保護(hù)措施，并通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。

2 工程概況

深圳地鐵3號(hào)線南延工程福保站沿紅花路呈東西向敷設(shè)，車站總長(zhǎng)558 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，深約18.2 m，為地下2層站。車站在益田路上跨既有廣深港高鐵隧道，見圖1。車站所處地層從上至下為：素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂層、礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖，基底主要位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中。

圖1 車站結(jié)構(gòu)與高鐵隧道平面圖

廣深港高鐵隧道在本段線間距為20 m，埋深約38.5 m，采用盾構(gòu)法施工，管片內(nèi)徑8.7 m，外徑9.6 m。在車站施工期間已經(jīng)貫通，后期需進(jìn)行試運(yùn)營(yíng)。盾構(gòu)隧道頂部距車站基坑底約20.7 m，見圖2。

圖2 車站結(jié)構(gòu)及地質(zhì)縱剖面圖

3 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)以及加固方案

福保站基坑采用地連墻（800 mm）+內(nèi)支撐支護(hù)體系，豎向設(shè)置4道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐（帶八字撐），間距為9 m，第二道采用φ609 mm鋼管撐，第三道、第四道采用φ800 mm鋼管撐，間距為3 m。

加固方案一：當(dāng)基底以下淤泥層厚度小于2.5 m時(shí)，采用石粉渣進(jìn)行換填，大于2.5 m時(shí)采用等邊三角形分布的φ0.8 m攪拌樁@1.2 m加固處理，樁端進(jìn)入淤泥質(zhì)土層下1 m。

加固方案二：在方案一的基礎(chǔ)上增加加固范圍，除對(duì)基底淤泥質(zhì)土進(jìn)行換填處理外，采用旋噴樁加固基底以下淤泥質(zhì)黏土以及礫質(zhì)黏性土等，厚約6 m。

4 數(shù)值計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算模型長(zhǎng)200 m，寬為100 m，高度（豎直方向）為88 m。土層采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用修正的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；盾構(gòu)管片、地連墻采用彈性板單元模擬，混凝土支撐及鋼支撐采用梁?jiǎn)卧M。其中管片彈模考慮管片間接頭連接，取0.8的折減系數(shù)。計(jì)算模型網(wǎng)格見圖3。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格

根據(jù)詳勘結(jié)合工程情況，巖土力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

未加固方案下基坑開挖到底時(shí)土層位移圖見圖4，加固方案一開挖過程中盾構(gòu)管片最大豎向位移圖見圖5。不同加固方案下計(jì)算結(jié)果匯總詳見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總

圖4 開挖完土層豎向位移云圖（未加固）

圖5 管片最大豎向位移云圖（加固方案一）

計(jì)算結(jié)果表明：

1）基坑開挖卸荷后，下方盾構(gòu)管片發(fā)生隆起變形，變形范圍主要集中在隧道長(zhǎng)度方向60 m范圍，約3倍基坑寬度，最大變形出現(xiàn)在基坑中線正下方。隧道拱頂隆起大于拱底隆起，說明隧道管片變形為整體上浮加斷面發(fā)生側(cè)向擠壓變形的疊加。

2）在未加固情況下基坑底部隆起、地表沉降以及下方盾構(gòu)管片變形都最大。管片在基坑開挖到底時(shí)，變形達(dá)道最大值，拱頂上浮10.3 mm，在基坑回筑階段，管片開始沉降，拱頂最終上浮量為5.1 mm，超過運(yùn)營(yíng)階段廣深港高鐵盾構(gòu)隧道上浮允許量5 mm。應(yīng)采取適當(dāng)處理措施。

3）基坑開挖卸荷引起的變形主要集中在基底以下5 m范圍。加固方案一，管片拱頂最大、最終隆起量均有所減小，分別為8.2 mm、3.8 mm，已滿足運(yùn)營(yíng)階段廣深港高鐵盾構(gòu)管片上浮允許量。加固方案二，管片拱頂最大、最終隆起變形最小，分別為6.3 mm、2.7 mm。基坑開挖過程中，管片壓應(yīng)力都未超過管片抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，不會(huì)對(duì)管片造成破壞。綜上采用加固方案一，既滿足高鐵隧道變形要求，又比較經(jīng)濟(jì)，為現(xiàn)場(chǎng)采取加固方案。

5 盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)

福保站基坑開挖期間，對(duì)高鐵隧道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍為沿隧道方向車站上跨區(qū)域及兩側(cè)各50 m范圍（總長(zhǎng)120 m）的雙線隧道，監(jiān)測(cè)斷面間距為10 m，監(jiān)測(cè)斷面布置如下圖所示，每個(gè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：基坑開挖期間，隧道拱頂變形在-1.0～0.8 mm波動(dòng)，軌道變形在-1.0～0.9 mm變化；車站施工完成后，隧道軌道最終隆起量為1.8 mm[2]。監(jiān)測(cè)變形都未超過3 mm預(yù)警值，滿足運(yùn)營(yíng)期間高鐵盾構(gòu)隧道變形要求。

圖6 廣深港高鐵隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置斷面圖

實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比計(jì)算結(jié)果小，原因有土體計(jì)算參數(shù)與實(shí)際存在差異，尤其是影響土體卸荷回彈的變形模量；計(jì)算中沒有考慮是基坑分段、分層開挖；沒有考慮現(xiàn)場(chǎng)基坑降水的影響。

6 結(jié)論

1）對(duì)于緊鄰既有地鐵或者城際鐵路結(jié)構(gòu)的施工，應(yīng)根據(jù)兩者相互位置關(guān)系、距離、地質(zhì)情況、結(jié)構(gòu)形式等因素，采取適宜的保護(hù)措施。本項(xiàng)目基坑底部距離高鐵盾構(gòu)隧道較遠(yuǎn)（約21 m），計(jì)算表明，只需加固基底以下3 m范圍的軟弱土層即能滿足下臥盾構(gòu)管片變形的要求，保證隧道的安全，方案經(jīng)濟(jì)、合理為實(shí)際所采用。

2）為保證盾構(gòu)隧道安全，還需采取一定施工、監(jiān)測(cè)措施：采取分層、分段、抽條式開挖方法；及時(shí)架設(shè)支撐、盡塊封底，以回筑底板甚至堆載；加強(qiáng)基坑以及盾構(gòu)隧道的監(jiān)測(cè)，建立完善的預(yù)警機(jī)制并制定緊急預(yù)案措施。

3）三維有限元計(jì)算方法有助于全面地預(yù)測(cè)分析軟土地區(qū)深基坑開挖施工對(duì)周邊環(huán)境的影響[3]。計(jì)算中選擇合適的計(jì)算參數(shù)，模擬關(guān)鍵工況和措施，再經(jīng)過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，可為設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)作用。