復雜環境條件下淺埋暗挖通道下穿既有管線施工的力學響應分析

金 平，王 濤，趙瑞桐

(1.中鐵四局集團城市軌道交通工程分公司,安徽合肥 230022；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隨著地下空間的不斷開發和利用，位于城市中既有構筑物密集地區的新建地下工程越來越多。在這些新建地下工程的修建過程中，有效地保證周邊的既有構筑物的安全是工程的重點和難點，開展數值模擬評估施工的安全性極為必要。在建的深圳地鐵福民站換乘通道將在復雜環境條件下下穿既有地下雨水箱涵，本文以該工程為依托，采用三維數值模擬的方法研究設計預加固方案下換乘通道暗挖段下穿既有地下箱涵施工的力學行為及環境影響，以期為工程的順利開展及類似工程的施工提供技術支持。

1 工程概況

深圳地鐵10號線福民站位于福強路與福民路交叉口北側，沿福強路南北向布置，與7號線福民站采用通道換乘。換乘通道位于10號線車站西南側，東西走向，部分區段位于在建地鐵7號線福民站至皇崗口岸區間隧道上方且與之重疊，其西側緊鄰下穿皇崗河雨水箱涵，換乘通道平面位置見圖1。換乘通道下穿皇崗河雨水箱涵段采用暗挖方案施工，暗挖段長16 m，頂板埋深約為7.3 m，頂部與皇崗河雨水箱涵緊貼，與地鐵7號線隧道垂直間距約7.6 m。其余部位采用基坑明挖法施工，工程范圍土層分布及新建、既有地下結構的相互位置關系見圖2。

圖1 工程平面

換乘通道斷面和皇崗河雨水箱涵斷面如圖3、圖4所示。為了減少通道暗挖對臨近建構筑物的影響，通道開挖前對換乘通道兩側及下部進行水平旋噴樁加固，對暗挖段下部初支輪廓線外3 m范圍內采用深孔注漿加固，開挖施工時設置超前小導管。預加固方式及加固區域如圖5所示。換乘通道暗挖段開挖步序按圖3中1～4步進行，各部分每次開挖進尺為0.5 m，其中第1部分進度超前第2部分3 m，第2部分進度超前第3部分2 m，第3部分進度超前第4部分3 m。

顯然，換乘通道下穿皇崗河雨水箱涵暗挖段是通道施工的難點及關鍵，其不同于一般的近接施工問題，是在復雜環境條件下(下覆存有既有7號線盾構隧道區間，兩側存有通道明挖段基坑)緊鄰下穿箱涵施工，且具有下穿暗挖段距離短、施工力學響應受周圍復雜環境特別是既有明挖基坑影響大的特點。因此，有必要對通道暗挖段施工對皇崗河箱涵的影響進行研究，通道施工對下覆既有地鐵7號線隧道結構的影響將另文分析。

圖2 工程縱斷面

圖3 換乘通道暗挖段斷面(單位：m)

圖4 皇崗河雨水箱涵橫斷面(單位：m)

圖5 換乘通道暗挖段預加固示意

2 數值模型的建立

采用有限差分數值分析軟件FLAC3D對換乘通道暗挖段的施工過程進行模擬。模型左右邊界及下邊界計算范圍控制在3～5倍開挖寬度。數值模型的具體尺寸為沿換乘通道縱向取64 m，橫向取72.8 m，高度為28.2 m。依據巖土勘探資料，數值計算中將模型研究范圍內的土層簡化為四層，各材料的物理力學參數取值如表1所示。

建立三維計算模型以及換乘通道、皇崗河箱涵和既有地鐵7號線隧道的位置關系如圖6和圖7所示。模型的四周和底部的邊界條件為法向約束，地表為自由邊界條件。各土層采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，地下連續墻、雨水箱涵、初期支護、二次襯砌及盾構隧道管片采用彈性模型。數值計算中，考慮雨水箱涵充滿水流，在箱涵底部施加5.2 kN/m2的均布壓力，而通道暗挖施工過程的模擬與設計相一致。

3 計算結果分析

3.1 受力分析

換乘通道開挖過程中典型施工步時皇崗河箱涵最大第一、第三主應力數值如表2所示。可以看出，暗挖通道的施工對箱涵的受力影響較小：從通道開挖至完工，箱涵最大第一主應力的變化很小，基本維持在1.5～1.8 MPa之間，第一主應力較大的部位在計算范圍兩端的底部；第三主應力在開挖過程中的變化同樣很小，基本維持在-1.9～2.3 MPa之間，第三主應力較大的部位在箱涵兩端頂部及位于換乘通道正上方的底部。顯然，這是由箱涵的變形情況所決定的。

表1 計算模型材料物理力學參數取值

圖6 三維數值計算模型

圖7 地下結構位置關系

3.2 位移分析

對于皇崗河地下箱涵，著重研究其隨換乘通道開挖的豎向位移變形，在皇崗河箱涵洞室頂部中間和底部中間均布置了豎向位移測線，每條測線有3個測點，橫坐標分別為X=32 m、X=36 m和X=40 m，其中X=36 m處測點位于換乘通道正中上方。在這些測線中，測線A、B位于箱涵底板，測線C、D位于箱涵頂板。測線與換乘通道相對位置關系及編號見圖8和圖9。

表2 計算模型材料物理力學參數取值 MPa

圖8 箱涵測線位置及編號橫向示意

圖9 箱涵測線位置及編號縱向示意

圖10給出了皇崗河箱涵上12個測點的豎向位移隨換乘通道施工而變化的豎向位移曲線圖。從圖中可以看到，在通道開挖過程中，箱涵會出現一定的隆起，并且各測點的隆起值隨開挖的進行在一直增大，但隆起量值始終較小，這是因為換乘通道的輕微隆起帶動了箱涵的隆起；施做通道底板時，由于底板施做形成的加載效應，造成箱涵隆起值出現約1 mm的減小；在拆除橫撐時，箱涵的隆起又會出現略微的回收；在拆除豎向支撐和施做二襯的過程中，箱涵各測點會出現約1 mm的沉降，致使箱涵整體隆起值又一次出現減小，直至達到通道施工完成后的最終值。

(a)底部測點

(b)頂部測點圖10 隨開挖而變化的豎向位移曲線

圖11給出了開挖完成、底板澆筑前皇崗河箱涵頂、底板的最大豎向位移云圖。從圖11中可以看到，在通道施工過程中，箱涵隆起最大值約為4.13 mm，且底部隆起較頂部隆起略大；此外，箱涵的隆起值在越靠近通道開挖出洞口處，量值越小，整個頂、底板隆起范圍呈輻射狀分布，這與暗挖通道縱向尺寸短及既有明挖基坑的影響密切相關。

圖11 皇崗河箱涵豎向位移最大值云圖

4 結論

本文依托深圳地鐵福民站換乘通道工程，對復雜環境條件下淺埋暗挖通道下穿既有地下管線施工的力學響應進行了研究，得出如下結論：

(1)在設計方案下進行換乘通道施工對皇崗河箱涵的受力影響有限。

(2)由于換乘通道為淺埋結構，作用在其上的荷載較小，開挖效應更多地表現為卸載效應，這致使通道施工時上覆皇崗河箱涵會出現一定程度的隆起。但由于對土體進行了預加固，箱涵的隆起量值均較小，最大隆起值約為4.1 mm，出現在通道開挖完成而底板尚未施做的階段。

(3)深圳地鐵福民站換乘通道暗挖段的設計施工方案，特別是預加固方案，可保證復雜環境下通道暗挖段下穿施工時皇崗河雨水箱的受力和變形在安全范圍以內。