綜合管廊不同開(kāi)挖方式對(duì)既有軌道結(jié)構(gòu)變形影響的數(shù)值模擬分析

羅 冰

（廈門(mén)市政管廊投資管理有限公司，福建 廈門(mén) 361001）

0 引言

隨著城市地下空間的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，地下綜合管廊建設(shè)項(xiàng)目持續(xù)增多。綜合管廊的線位與既有地下管線、軌道交通線路等交叉的情況越來(lái)越常見(jiàn)。綜合管廊的基坑開(kāi)挖會(huì)造成既有軌道交通線路的土體發(fā)生隆起變形，甚至威脅軌道交通結(jié)構(gòu)的安全。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)上覆土層開(kāi)挖卸載對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了較多研究，大部分案例都是基底與既有結(jié)構(gòu)凈距較大的情況，對(duì)于凈距較小的案例研究較少。某綜合管廊工程上跨既有軌道線路結(jié)構(gòu)，軌道與綜合管廊基坑底面最小豎向凈距僅為3.51m，本文采用Midas-GTS NX 軟件建立數(shù)值分析模型，分析擬定的兩種不同開(kāi)挖方式對(duì)下部既有軌道結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

擬建的綜合管廊為雙艙矩形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為（3+3）××3綜合。綜合管廊采取明挖法施工，綜合管廊上跨既有軌道采用放坡開(kāi)挖，如圖1所示。

圖1 綜合管廊與軌道剖面關(guān)系圖

綜合管廊與既有軌道兩者平面斜交，管廊上跨既有軌道。軌道與綜合管廊基坑底面最小豎向凈距為3.51m。目前軌道已洞通，尚未鋪軌。本區(qū)間軌道穿越主要地層為凝灰熔巖殘積砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化凝灰熔巖、全風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖等。

2 軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

根據(jù)《軌道交通安全保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（Q-AMTRAQ-001-2020）中規(guī)定：軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)應(yīng)包括：位移、變形、差異沉降、結(jié)構(gòu)裂縫、相對(duì)收斂、變形曲率半徑、盾構(gòu)管片接縫張開(kāi)量、附加荷載、爆破振動(dòng)速度、軌道橫向高差、軌向高差、軌間距、道床脫空量等。結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值宜符合表1的規(guī)定。

表1 軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

3 管廊基坑不同開(kāi)挖方式對(duì)既有軌道結(jié)構(gòu)變形影響分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算模型及具體位置關(guān)系如圖2 所示。模型尺寸為200 寸為具體位置關(guān)系，模型劃分為121234 個(gè)單元，80501 個(gè)節(jié)點(diǎn)。土體本構(gòu)模型采用修正Mohr-Coulomb模型；隧道管片和基坑邊坡噴砼使用板單元模擬，隧道的尺寸、相互位置關(guān)系設(shè)置均按照?qǐng)D紙實(shí)際情況進(jìn)行模擬。

圖2 三維計(jì)算模型圖

3.2 計(jì)算材料參數(shù)選取

本次計(jì)算所有巖土材料的參數(shù)取值詳見(jiàn)表2；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值詳見(jiàn)表3。

表2 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 主要結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 常規(guī)開(kāi)挖施工工況模擬

模擬常規(guī)開(kāi)挖施工工序：地應(yīng)力平衡→施作既有地鐵區(qū)間→位移清零→開(kāi)挖基坑、施做邊坡噴砼→施加上部管廊結(jié)構(gòu)荷載（包括結(jié)構(gòu)施工及覆土回填）。

圖3所示為開(kāi)挖綜合管廊造成的軌道結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力數(shù)值。管廊基坑開(kāi)挖到底時(shí)隧道最大水平位移和豎向位移分別為1.83mm和9.68mm，其中豎向位移已經(jīng)接近規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)10mm。上部卸載會(huì)引起既有軌道結(jié)構(gòu)局部隆起變形，從而引起結(jié)構(gòu)撓曲度變化，會(huì)導(dǎo)致管片之間縱向拉力增大，既有軌道結(jié)構(gòu)存在安全隱患[1]。

圖3 常規(guī)開(kāi)挖施工工序下管廊基坑開(kāi)挖到底時(shí)Z方向位移

3.3.2 分段分層開(kāi)挖隧道預(yù)堆載施工工況模擬

施工情況過(guò)程中，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，需采取分次在區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行預(yù)堆載的措施。綜合管廊基坑開(kāi)挖時(shí)，按10m 的長(zhǎng)度進(jìn)行分段開(kāi)挖，如圖4 所示將基坑分成了①至⑧八個(gè)區(qū)域，按照“先兩側(cè)，后上方，縱向臺(tái)階，預(yù)堆載”的原則進(jìn)行土體開(kāi)挖[2]。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)堆載施工工序如表4所示。

表4 分次施加隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)堆載說(shuō)明表

圖4 基坑開(kāi)挖平面示意圖

通過(guò)各施工階段的模擬分析得出計(jì)算結(jié)果表5 和圖5。當(dāng)采取隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)堆載的措施后，當(dāng)管廊基坑開(kāi)挖到底時(shí)，隧道的最大水平位移為1.93mm，最大豎向位移為5.76mm，如5圖所示，均滿足規(guī)范要求控制指標(biāo)。

表5 不同施工工序下各施工階段隧道最大豎向位移表

圖5 隧道預(yù)堆載施工工序下管廊基坑開(kāi)挖到底時(shí)Z方向位移

結(jié)合基坑開(kāi)挖分段分層法，在既有結(jié)構(gòu)內(nèi)部采取對(duì)應(yīng)的預(yù)堆載措施，使既有軌道結(jié)構(gòu)豎向變形減少40%，且曲線變化更加緩和，各工況位移均有大幅度減小。可見(jiàn)，采用分段分層開(kāi)挖結(jié)合預(yù)堆載措施可以有效控制既有結(jié)構(gòu)變形。

3.3.3 結(jié)構(gòu)抗浮驗(yàn)算

按每延米管片進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，抗浮安全系數(shù)為1.1，本區(qū)間覆土為強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖，由表2可知其重度為20.4kN/m3。

最小覆土厚度=（浮力-自重）×1.1/（土層浮重度×管片寬度）=（301.907-160.810）×1.1/（10.4×6.2）=2.4m，本區(qū)間覆土厚度均大于2.4m，因此抗浮滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以綜合管廊上跨既有軌道工程為背景，用數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，探討了管廊基底與既有軌道結(jié)構(gòu)凈距較小的情況下基坑不同開(kāi)挖方式對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形的影響，結(jié)論如下：

（1）上部卸載會(huì)引起既有軌道結(jié)構(gòu)局部隆起變形，從而引起結(jié)構(gòu)撓曲度變化，會(huì)導(dǎo)致管片之間縱向拉力增大，既有軌道結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

（2）分段分層開(kāi)挖卸荷結(jié)合既有結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)堆載措施，使既有軌道結(jié)構(gòu)豎向變形大幅度減少，滿足變形控制要求，對(duì)同類型工程有參考借鑒意義。

（3）基坑開(kāi)挖，對(duì)于既有結(jié)構(gòu)的抗浮有一定影響，需根據(jù)實(shí)際情況確定其最小凈距。