基于MIDAS_GTS_NX的復雜周邊環境條件下地鐵隧道安全評估應用

隋偉 劉鵬飛 劉天宇 翟文娟 董元濱

摘要 基于 MIDAS_GTS_NX 軟件，文章對某復雜周邊環境條件下裙房基坑項目施工對地鐵隧道結構的影響進行模擬，分析施工全過程中地鐵隧道、基坑圍護結構及既有建筑物的位移和受力情況，對地鐵結構、既有建筑物的安全性進行評估并對基坑支護方案可行性進行評價。結果表明復雜周邊環境條件下地鐵隧道安全評估采用MIDAS_GTS_NX軟件進行計算分析能夠貼近工程實際情況，評估方法可行。

關鍵詞 安全評估；復雜周邊環境；數值模擬；地鐵隧道

中圖分類號 U231文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0007-03

0 引言

隨著我國地鐵工程建設的不斷發展，地鐵與周邊建筑物近接施工已不可避免，地鐵隧道下穿及側穿建筑物或土建工程近接既有地鐵隧道施工成為一種工程建設的常見現象，地鐵隧道安全評估是確保地鐵結構安全、控制工程建設風險的有效措施[1]?，F采用MIDAS_GTS_NX有限元分析軟件模擬復雜周邊環境條件下某城市超高層項目施工對臨近地鐵隧道結構的安全影響分析[2-3]。

1 概述

1.1 工程概況

某市平安金融中心項目由1棟360 m超高層塔樓和裙房組成。塔樓地下3層，地上62層，平面尺寸45.6 m

×45.3 m，與塔樓相連的裙房地下3層，地上4層?，F塔樓已施工至200 m以上，裙房基坑尚未開挖。地面整平標高80.5 m，裙房基坑開挖深度約18.3 m。

項目北側市政道路下建有商業結構，商業結構地下2層（局部1層），靠近超高層項目一側采用雙排鉆孔灌注樁，遠離超高層項目一側采用三排鉆孔灌注樁，目前商業結構已完成土建施工。

商業結構下方為地鐵隧道，隧道采用礦山法施工，現已完成初支施工，尚未進行二襯施工。裙房基坑圍護結構與隧道結構最小凈距約為6.6 m。該項目平面位置關系如圖1所示。

1.2 工程地質及水文地質條件

場地位于山前傾斜平原地貌單元。場區地層分別為①素填土、①-1雜填土、②黃土狀粉質黏土、②-1碎石、③粉質黏土、④碎石、④-1膠結礫巖、④-2粉質黏土、⑤-1強風化石灰巖、⑤-2中風化石灰巖、⑤-3中風化石灰巖、⑤-4巖溶、⑤-5全風化泥灰巖、⑤-6強風化泥灰巖。

勘察期間勘察深度內未揭示地下水。搜集區域水文地質資料，場區范圍內地下水類型為碳酸鹽裂隙巖溶水，地下水水位埋深較深。根據調查區域水文地質資料及周邊工程資料，該場地裂隙巖溶水水位標高可按30～40 m考慮，水位變化幅度10～15 m。

1.3 基坑圍護結構設計

基坑北側采用錨桿+鋼管樁支護方案，現狀開挖面（高程70 m）以上緊貼地下商業結構側墻開挖，現狀開挖面至坑底采用錨桿+鋼管樁支護方案，設置1道錨桿、1道冠梁、1排鋼管樁。樁頂冠梁寬450 mm，高450 mm。錨桿水平間距1 m，孔徑150 mm，桿材為公稱直徑25 mm的HRB400級鋼筋，向下與水平面的夾角為15 °，長度9 m。鋼管樁型號為Φ219×10，樁間距500 mm，注純水泥漿，嵌入坑底以下2 m。基坑北側剖面圖如圖2所示。

基坑東側及南側采用預應力錨索+圍護樁支護方案，基坑設置5道預應力錨索、1道冠梁、5道腰梁、1排圍護樁。冠梁尺寸1 100 mm×800 mm。腰梁采用材質為Q235B鋼材的雙拼25a槽鋼。圍護樁直徑900 mm，樁間距1 800 mm，樁底標高57.2 m?；訓|側及南側剖面圖如圖3所示。

1.4 區間隧道設計

隧道初支采用300 mm厚的C25噴射早強混凝土，二襯采用400 mm厚C40模筑鋼筋混凝土。隧道斷面設計如圖4所示。

2 模型建立

2.1 計算模型

考慮基坑開挖施工過程的復雜性，采用MIDAS_GTS_NX有限單元法三維建模進行應力分析及變形分析。本構模型采用修正摩爾-庫倫屈服模型，采用板單元模擬隧道襯砌結構，鉆孔灌注圍護樁、各層樓板等采用板單元建模，樁基采用植入式梁單元，錨索及錨桿采用植入式桁架單元。土體邊界自基坑外邊線向外擴3～5倍基坑深度，土體建模X方向總長277 m；土體建模Y方向總長239 m；土體建模Z方向總長66 m。地基支承邊界條件為模型底部限制X、Y、Z三個方向位移，模型四周限制法向位移。圍護結構Φ219×10的鋼管樁，樁間距500 mm，注純水泥漿，利用等剛度原理可轉換為厚度為139 mm的地下連續墻；圍護結構直徑900@1 500鉆孔灌注樁，利用等剛度原理可轉換為厚度為594 mm的地下連續墻。巖土參數表如表1所示，結構材料屬性表如表2所示。根據設計文件，荷載采用樁頂集中力和筏板頂面均布荷載施加方式，平安塔樓樁頂荷載按20 000+50 000 kN

輸入；地下室筏板頂面荷載按50+150 kN輸入；計算基坑筏板頂面荷載按200 kN輸入。隧道及基坑支護結構模型圖如圖5所示。

2.2 工況設置

（1）工況1：初始應力場。

（2）工況2：既有商業結構、塔樓施工，位移清零。

（3）工況3：隧道施工，位移清零。

（4）工況4：圍護樁施工，基坑東側圍護樁施工。

（5）工況5：第一步開挖，第一道腰梁、錨索、冠梁施工。

（6）工況6：第二步開挖，第二道腰梁、錨索施工。

（7）工況7：第三步開挖，第三道腰梁、錨索施工。

（8）工況8：第四步開挖，第四道腰梁、基坑北側鋼管樁施工、錨桿施工。

（9）工況9：第五步開挖，第五道腰梁、第四道錨索施工。

（10）工況10：第六步開挖，第六道腰梁、第五道錨索施工。

（11）工況11：開挖至基坑底。

（12）工況12：商業裙房結構施工。

（13）工況13：土體回填。

（14）工況14：塔樓未建部分施工，施加上部荷載。

3 數值模擬分析

3.1 鋼管樁水平位移

基坑北側鋼管樁水平位移隨基坑開挖逐漸增大，水平位移最大值出現在開挖至坑底工況中，最大水平位移為9.55 mm。隨著地下室主體結構施工、土體回填及塔樓施工，鋼管樁水平位移減小為7.65 mm。

3.2 隧道豎向位移

隧道最大隆起量隨開挖過程均勻增大，隆起量最大值為3.31 mm，發生于開挖至坑底工況中。隨著地下室主體結構施工、土體回填和塔樓施工隆起量逐步減小為0.72 mm。

3.3 隧道水平位移

隧道水平位移隨開挖過程逐漸增大，水平位移最大值為5.23 mm，開挖至坑底工況時出現在計算基坑北側中部位置。隨著地下室主體結構施工、土體回填和塔樓施工水平位移量逐步減小為2.79 mm。

3.4 隧道受力

裙房基坑開挖前隧道負彎矩最大值為69.9 kN·m，當開挖至坑底工況時負彎矩增大至75.33 kN·m。隨著地下室主體結構施工和土體回填，偏壓程度降低，隧道負彎矩最大值減小為70.2 kN·m。

3.5 商業結構樁基受力

商業結構樁基彎矩最大標準值出現在開挖至坑底工況時，此時彎矩標準值為977 kN·m，軸力標準值為5 115 kN。

4 結論

根據數值模擬計算結果，基坑北側圍護結構水平位移最大值為9.55 mm，隧道豎向位移最大值為3.31 mm，隧道水平位移最大值為5.23 mm，位移值均滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T202—2013）[4]相關要求。隧道最大彎矩值為75.33 kN·m，商業結構樁基最大彎矩標準值為977 kN·m，軸力標準值為5 115 kN，根據配筋計算，隧道及商業結構樁基受力均可滿足要求。

該項目周邊環境條件復雜，單獨分析裙房基坑施工對地鐵隧道結構的影響不夠全面，故通過MIDAS_GTS_NX有限元軟件對多項目施工過程進行模擬，通過計算分析可知商業結構樁基對于抑制基坑變形、保護隧道結構發揮了重要作用，基坑北側圍護結構采用剛度較小的錨桿+鋼管樁支護方案即可滿足對地鐵的保護要求，相較于鉆孔灌注樁或地連墻支護方案節約了工程造價。

對于復雜周邊環境條件下地鐵隧道工程項目，MIDAS_GTS_NX有限元軟件模擬分析可考慮多項目施工的相互影響，模擬過程更加貼近工程實際情況，該方法對于地鐵安全評估具有重要參考價值。

參考文獻

[1]郭珅， 賴蔭楠. 基坑開挖對既有地鐵隧道的安全評估分析[J]. 土工基礎， 2023（5）： 773-777.

[2]陳軍君， 高科飛， 王慶軍， 等. 基于Midas GTS對某隧道硐室施工的數值模擬分析[J]. 土工基礎， 2023（3）： 431-434.

[3]祝斌， 任姍姍. 多項目同時施工對地鐵結構共同影響分析[J]. 山西建筑， 2022（6）： 156-160.

[4]城市軌道交通結構安全保護技術規范： CJJ/T202—2013[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2013.