新建箱涵小凈距上穿既有城際隧道影響分析

何冠男

中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西 西安 710043

在地鐵沿線附近及正上方進行基坑開挖施工過程中，由于機械施工擾動、土層開挖卸荷打破地鐵隧道周圍土體應力平衡，難免就會導致隧道產生移動與變形，嚴重可使隧道出現開裂、滲漏等重大安全事故。由于地鐵隧道的脆弱性與高安全性，故對位移變形控制十分嚴格。

郭勁睿[1]等利用 MIDAS/GTS NX 軟件模擬分層放坡方案與原豎井方案的對比，并模擬了隧道洞內堆載與場地土體回填等措施來控制既有隧道隆起量；文仁學[2]等運用有限元軟件分析了“隔三挖一”順序抽條開挖與“抗浮板+抗拔樁”開挖兩種施工方法的異同以點與優缺點；郭曉歡[3]等對北京某緊鄰地鐵車站基坑采用ANSYS 軟件進行模擬，結果顯示鄰近地鐵基坑開挖會對隧道結構的水平和豎向產生影響，且基坑開挖位于隧道結構側向時，隧道以水平位移變形為主；郭鵬飛[4]等通過對國內上跨隧道的基坑工程案例進行總結歸類分析得出結論，隧道所處的地質條件對隧道隆起變形影響較大，其次是基坑開挖深度、開挖面積、基坑形狀等因素；李振[5]通過分析上跨地鐵隧道的箱涵工程，得出抗拔樁與管幕門式加固能有效減小既有隧道豎向位移值與水平位移值；陳濤[6]對箱涵上跨地鐵盾構區間展開數值分析，提出了箱涵頂進過程中采用自適應配重可有效控制隧道上浮變形；張瑞金[7]用 Midas GTS 軟件，分別利用摩爾-庫倫本構和修正摩爾庫倫本構對北京地區地鐵某 CRD 法通道施工過程進行數值模擬，結果表明：修正摩爾庫倫本構較好的解決了該地層采用摩爾-庫倫本構下地面隆起變形和坑道底部土體隆起偏大的情況，分析結果更接近監測數值；胡建林等[8]通過對基坑變形情況進行數值分析，修正摩爾庫倫模型預測值與實測值的位移規律曲線相比摩爾庫倫模型更為吻合；

目前國內對于地鐵區間上方小凈距明挖施工箱涵工程的相關研究及工程報道較少，新建佛山市裕和路箱涵工程，下臥既有隧道為明挖施工矩形結構隧道。箱涵結構底部與既有廣佛環線區間隧道頂板最小凈距0.6m，屬國內罕見。

本文結合以往工程實例，提出小凈距情況下分段明挖施工箱涵工程，利用摩爾庫倫和修正摩爾庫倫本構模型進行數值分析，得到新建箱涵結構施工過程中既有地鐵隧道的變形規律，為新建上跨箱涵施工方案提供理論支撐。實際施工監測值說明修正摩爾庫倫模型計算數值更接近實測值。

1 工程概況

1.1 交叉段廣佛環城際鐵路概況

廣佛環線東平2號隧道沿裕和路行進，隧道為明挖箱型結構，結構凈寬17.7m，高10.5m。圍護結構護采用1m厚鋼筋混凝土連續墻。結構頂板厚1m，底板厚1.1m，側墻厚0.9m。

圖1 交叉段廣佛環隧道結構剖面圖

1.2 裕和路箱涵工程概況

新建箱涵為 C40 鋼筋混凝土結構，每孔尺寸凈寬 6m，凈高 4.0m，涵中心長 57m；箱涵頂、底板厚 55cm，邊、中側墻厚 50cm。基底設置兩排Φ1500抗拔樁。

1.3 工程地質概況

經勘察鉆孔揭示箱涵基坑及廣佛環隧道深度范圍內自上至下地質分層分別為第四系人工填土層()（厚度為3m）、第四系全新統細沙層()（厚度為12m）、第四系全新統中沙層()（厚度為8m）、第三系始新統強風化巖層()（厚度為8m）和第三系始新統中風化巖層()（厚度大于25m）。根據地勘資料第四系地下水位埋深0～5.3m，平均埋深為1.9m，水位高程-0.66～3.77m。

2 箱涵施工方案

為確保新城區防洪排澇安全，箱涵必須滿足河涌過流能力，箱涵底板高程受限。方案優化后，箱涵底板與廣佛環隧道頂板最小間距為0.6m。

由于間距過小，有限空間內管幕無法施做，箱涵無法采用頂進法施工，故箱涵只能采用明挖法施工。本研究提出了基坑分段開挖結合箱涵底板反壓回填措施，箱涵底于廣佛環隧道兩側布置兩排抗拔樁與廣佛環既有連續墻共同限制土體變形。連續墻鑿除時預留鋼筋與后期施做的箱涵底板連接[9]。

3 既有隧道變形控制標準

本次評估對于沉降控制值按照《城市軌道交通結構安全保護技術規范》CJJ/T202-2013辦理。本段廣佛環線施工時尚未鋪軌，鋪軌前隧道頂板底板豎向位移：采用±10mm作為豎向位移行動值，±20mm作為豎向位移控制值；采用±10mm作為水平方向位移行動值，±20mm作為水平方向位移控制值。

4 數值分析

4.1 本構模型選取

本文依托于實際工程案例，采用修正摩爾庫倫模型與傳統摩爾庫倫模型進行對比分析，分析采用 MIDASGTS/NX 有限元分析軟件，該軟件提供了修正摩爾庫倫模型（Modified Mohr Coulomb Model），以下簡稱M-MC 模型），該模型是對 Mohr-Coulomb 模型的優化，彈性模量可以根據加載和卸載設置不同的值，故更適合分析基坑開挖導致的卸荷效應。

修正摩爾庫倫模型是由摩爾庫倫模型本構上發展而來的本構模型，適用于各種類型的地基土，尤其是砂土等具有摩擦特性的材料。

這是因為M-C本構為彈-理想塑性模型，土體剛度單一，它能較好地描述土體的破壞行為，認為土體在達到抗剪強度之前的應力-應變關系符合胡克定律，因而不能較好的描述土體在破壞之前的變形行為，且不能考慮應力歷史的影響及區分加荷和卸荷。M-MC本構剪切屈服面和壓縮屈服面是獨立的，剪切屈服面與摩爾-庫倫本構屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構，考慮了土體的剪脹和中性加荷。M-MC本構在主應力空間中屈服面并不是固定不變，而是可以隨著塑性應變而擴張[10]。

本次計算中假定前提如下：

（1）地層采用實體單元，地層考慮采用Mohr-Coulomb與修正Mohr-Coulomb對比分析；

（2）混凝土結構采用實體單元，支撐采用線彈性材料模擬；

（3）模型四周邊界單向鉸支約束，上表面自由，底部固結約束。

4.2 模型建立

計算模型取裕和路及廣佛環隧道線路走向為Y軸，豎直為Z軸，裕和路箱涵過水方向為X軸。在建立計算模型時，以Saint Venant原理為指導，根據既有廣佛環隧道及箱涵斷面尺寸，模型X方向和Y方向均取70m；Z方向根據地質鉆孔信息，素填土層取3m，細砂1取12m，細砂2取8m，強風化砂巖取8m，中風化砂巖取25.6m；模型上部為自由邊界條件，最底部為固定邊界，X軸方向水平位移約束，Y 軸方向前后位移約束。

4.3 參數選取

圖2 數值計算模型

圖3 M-MC模型四期開挖方案階段2水平位移云圖

圖4 二期開挖方案底板隧道水平位移曲線

圖5 四期開挖方案底板隧道水平位移曲線

圖6 M-MC模型四期開挖階段7豎向位移云圖

圖7 二期開挖方案隧道底板位移曲線

圖8 四期開挖方案隧道底板豎向位移云圖

圖9 箱涵施工期間隧道底板位移監測曲線

4.4 分析工況

本次模型計算包含箱涵分2期分段施做及4期分段施做兩種施工方案，其中，2期分段開挖箱涵底板采用壓重措施降低開挖卸載作用。考慮到箱涵如果采用先兩側后中間的施工順序，則會在施工中間段箱涵時，同時破除隧道兩側連續墻，對隧道擾動較大，故箱涵以隧道中心線分界兩側兩段先后施工。

為簡化施工工序，箱涵4期施做方案已最大限度降低單次卸荷量，故不采用回填壓重以簡化施工工序。

4.5 計算結果

（1）道床水平位移分析

表1 隧道底板最大水平位移

隧道結構最大水平位移位于頂板且均未超過規范控制值，其中，修正摩爾庫倫本構模型的計算結果明顯小于摩爾庫倫模型。

（2）道床豎向位移分析

表2 隧道底板最大豎向位移

結構最大豎向位移位于底板及側墻，且均未超過規范控制值，其中，修正摩爾庫倫本構模型的計算結果明顯小于摩爾庫倫模型。

4.6 分析結論

從模型分析結果得出，修正摩爾庫倫本構模型的計算結果明顯小于摩爾庫倫模型，尤其是針對水平位移。兩種施工方案的計算結果比較接近，根據修正摩爾庫倫模型的計算結果，二期開挖加反壓回填的位移控制效果略好于四期開挖方案。如能在雨季來臨前完成箱涵施工，推薦二期開挖加反壓回填方案。

5 施工監測情況

5.1 施工概況

箱涵基坑施工于3月份開工，采用明挖法分兩期施工，6月份已完成路面恢復。基坑開挖過程中最大程度的減少了基地暴露時間，挖至基底后三日內即完成底板澆筑。另外箱涵于非雨季施工，基坑內無積水。開挖過程中配合監測數據做好了壓重預備應急措施。

5.2 計算數據與監測結果對比分析

根據監測單位提供數據，施工期間箱涵正下方隧道底板最大隆起1.9mm，最大水平位移0.5mm。滿足規范要求且沒有觸及預警值。

根據前述數值分析，基坑二期開挖方案，摩爾庫倫模型，底板最大隆起8.1mm，最大水平位移2.5mm。而在修正摩爾庫倫本構模型下，底板最大隆起3.7mm，最大水平位移0.8mm。修正摩爾庫倫計算結果更接近實際變形值。本次箱涵施工并未采取隧道周圍土體注漿加固措施，考慮到廣佛環明挖隧道地連墻為嵌巖地連墻，有效的起到了隔離和抗拔作用。本次研究前期也對不包含連續墻的數值模型進行計算，結果表明無連續墻作用的情況，基坑開挖造成的隆起值遠大于規范限值。

6 結論

1）明挖箱涵，地下通道等市政工程，基底距離既有隧道結構太近而無法采用頂進施工法的情況下，采用基坑分期開挖加底板反壓回填的措施具備可行性。

2）根據數值分析，在既有隧道上覆基坑規模不大的情況下，基坑可不必過多分段施工，本次箱涵工程分兩期施工依然可以確保既有結構變形在規范限值之內。

3）修正MC本構模型考慮了土體彈性卸載/再加載時的彈性模量，從而能較好的解決了M-C本構模型下地面隆起變形和坑道底部土體隆起偏大的情況。修正摩爾庫倫模型的位移計算結果與實際監測值更為接近。

4）不同于盾構隧道，既有明挖隧道若有連續墻或圍護樁的保護作用，則不需要做地層注漿加固措施。