雜填土－強風化巖地層中下穿鐵路通道工程的開挖穩定性分析

王樹峰，趙浚程，龔 政，劉鑫章，周 越

（1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 十堰 442000；2.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著城市發展水平的不斷提升，市政道路工程的建設規模日益擴大，市政道路與既有鐵路或公路之間相互縱橫交錯的情況也越發常見，通常需要在交錯位置采用下穿通道的建設方案以盡量減少對上方道路正常運營的干擾。淺埋下穿通道主要以明挖法為主［1，2］，其施工穩定性尤為重要，不僅影響下穿結構的施工質量也關系到上部道路工程的使用壽命，一般采用現場監控量測和數值分析等方法來對其進行評估分析。在現場監控量測方面，繆揚揚［3］通過監測地表沉降、坡頂（樁頂）水平位移、支撐結構內力和水位等變化情況，全方位地確保某一道路口改造工程（下穿通道）的施工安全性。基于現場監測數據，丁錕［4］對某快速公路下穿通道的開挖穩定性進行實時分析，通過適時調整支護措施以避免周圍地層產生過大位移。在數值分析方面，張龍等［5］開展三維有限元分析研究了砂巖中下穿通道開挖對上方高速公路的影響，得到了高速公路路面沉降與支護結構內力的演化規律，從而對該高速公路的安全性進行了系統評價。張文奇［6］應用有限差分軟件 FLAC 3D 研究了地下人行通道施工對鄰近管線的影響，該研究表明地下通道施工所致管線的沉降分布規律與 Peck 經驗公式預測值較為吻合，且管線的最大沉降值逼近規范所允許的最大控制值，并給出了相應的加固控制建議。基于二維有限元分析，郭磊等［7］比較了不同開挖工法（分別為臺階法、雙側壁導坑法、CD 法和 CRD 法）下穿地下通道施工對高鐵沉降的影響，發現采用 CRD 開挖工法所致的地表沉降最小。王淑敏［8］結合現場監控量測和三維有限元分析探究了軟土區下穿通道開挖施工對高速鐵路鋼構橋及路基的影響，發現高鐵橋梁及路基均產生了較為明顯的隆起效應。

本文以十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風鐵路通道工程為研究對象，采用現場監測與三維有限元分析相結合的方式對雜填土-強風化巖層中下穿通道的開挖穩定性進行分析，相關研究結果可為類似工程的實施提供參考依據。

1 工程概況

十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風鐵路通道工程位于林蔭大道 3 號線 K0+155（中心樁號）位置處，起點武當路至東風鐵路處兩側均有高層建筑及幼兒園等建筑物，環境較為復雜，其中東風鐵路位于 K0+155 山坡坡頂處，與坡腳高差約為 20 m，其平面示意如圖 1 所示。

圖1 下穿通道平面示意圖

如圖 2 所示，下穿通道的主體結構為鋼筋混凝土箱涵結構，采用現澆的施工方式。在箱涵結構施工前，為確保土方開挖的穩定性，采用實心鋼筋混凝土方樁進行支護，支護樁與 D 便梁協同支撐上部鐵軌重量及列車行駛荷載。箱涵結構與支護樁采用永臨結合設計方法，可避免箱涵結構附近支護樁的拆除和 D 便梁及其它輔助構件（如萬能桿件）的拆換，實現箱涵結構的整體式施工，極大地提高了施工效率及降低了經濟成本。

圖2 地下通道中支護結構和箱涵結構示意圖

箱涵結構與支護樁埋深范圍主要分布有雜填土和強風化絹云石英片巖層。雜填土特征為雜色、松散、不均勻、高壓縮性，主要成分為開山的碎巖塊、巖屑、巖粉及黏性土等，局部含塊石、建筑垃圾等，其工程分級為 Ⅲ 級硬土。強風化絹云石英片巖層的特征為灰黃色至青灰色，具有變晶結構和片狀構造，主要礦物成分為石英、鈉長石和絹云母，巖體組織結構基本破壞，完整性差，巖體破碎，巖芯主要為針狀巖渣，屬極軟巖，巖體基本質量等級為 Ⅴ 級，局部夾中風化薄層，其工程分級為Ⅳ 級軟石。

2 監測項目及測點布置

林蔭大道 3 號線下穿東風鐵路通道工程的監測內容包括支護樁-軌道系統及周邊地表的位移響應，具體監測項目及布設要求如表 1 所示，測點布置如圖 3 所示。

表1 監測項目及布設要求

圖3 測點平面布置圖

3 有限元建模

采用有限元軟件 ABAQUS 對下穿通道的基坑開挖過程進行了精細化模擬分析。如圖 2 所示，地勘資料表明該施工區域土體分為兩層，從上至下依次為雜填土以及強風化巖。以各層土的平均厚度確立有限元模型的豎向尺寸，如圖 4 所示。考慮到支護結構、下穿通道基坑及土層均呈左右對稱布局，為提高計算效率，僅需建立土體-支護樁-上部結構系統的半對稱三維有限元模型。基于剛度及質量等效原則，采用上部結構來模擬 D 便梁及列車軌道。初步數值分析表明，當模型底部與樁底之間距離超過 4 倍樁徑及水平邊界（軌道軸向）長度超過 40 倍樁徑時邊界效應對分析結果的影響可忽略不計，最終確立土體模型的尺寸為 60 m×21.6 m×26 m，如圖 4 所示。模型共采用 41 204 個六面體單元，支護樁與上部結構之間采用綁定連接，土體與支護樁及上部結構之間的作用效應采用摩擦型接觸面來模擬，除頂面外，模型其余邊界均采用法向約束邊界條件。土體選用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）彈塑性模型來模擬，支護樁及上部結構采用線彈性模型。基于現場勘察及設計資料，確立土體、支護樁及上部結構的材料參數如表 2 所示。

圖4 三維有限元模型

表2 材料參數表

實際工程中，支護樁為現澆鋼筋混凝土灌注樁，待樁身強度滿足要求時，采用 D 便梁對軌道結構進行托架，之后進行下穿通道的基坑開挖施工。基坑采用分級放坡開挖方式，開挖范圍內的土層皆為雜填土；第一級開挖深度為 6 m，坡率為 1∶1，第二級開挖深度為 7.3 m，坡率為 1∶1.5。對應于實際的基坑施工工況，三維有限元分析中每一級的基坑開挖包含若干個施工步。在每個施工步中，采用 Model Change 命令來實現模擬的開挖工況與實際工況一一對應，基坑開挖完成后的三維有限元模型如圖 5 所示。

圖5 開挖完成后三維有限元模型

4 計算結果與分析

按照以上施工工序進行了基坑開挖的模擬分析，獲得了開挖過程中周邊地表、支護樁頂及上部結構的位移變化數據，并與現場實測數據進行對比分析。

基于數值分析和現場實測數據，圖 6～8 依次給出了周邊地表、支護樁頂、上部結構豎向位移的典型對比曲線圖。

圖6 基坑開挖過程中地表沉降的實測與計算結果對比圖

由圖 6 可知，相對于實測數據，施工完成后地表沉降計算值略小，在監測點 Z 6 和 Z 9 分別小約 7 % 和 15.6 %；現場實測和數值分析結果均表明，相對于監測點 Z 9，監測點 Z 6 處的地表沉降值相對較小，這主要是由于監測點 Z 6 離支護樁的距離更近。由圖 7可知，一方面，越靠近基坑中心位置，支護樁的豎向位移越大，距離基坑中心最遠的支護樁（監測點 L Z1）的豎向位移小于 0.5 mm，而基坑中心處支護樁（L Z6 監測點）的豎向位移最大值接近 2 mm；此外，相對于現場實測結果，基坑中心處支護樁（L Z6 監測點）豎向位移的計算值偏大 31 %；另一方面，如圖 8 所示，與實測數據相比，上部結構監測點 G 1 和 G 3 豎向位移的計算值分別偏小約 35.9 % 和 36.2 %，這主要是因為實際施工過程中 D 便梁及列車軌道還會受到列車行駛荷載的影響，而本文數值分析中忽略了列車荷載效應的影響。

圖7 基坑開挖過程中支護樁頂部豎向位移的實測與計算結果對比圖

圖8 基坑開挖過程中上部結構（軌道）豎向位移的實測與計算結果對比圖

此外，在基坑開挖過程中，除了上述地表、支護結構、上部結構的豎向位移外，還有必要對坡頂水平位移進行定期監測。如圖 9 所示，邊坡坡頂的水平位移隨開挖深度的增加而逐漸增大，正值表示變形朝向基坑一側發展。以邊坡監測點 D 5 為例，實測水平位移最大值為 3.6 mm，數值解最大值為 4.3 mm，數值解高估坡頂水平位移約 19.4 %。

圖9 基坑開挖過程中坡頂水平位移的實測與計算結果對比圖

綜上所述可知，數值分析與現場實測所獲的位移數據在變化趨勢及最終數值上均基本吻合。總體而言，在周邊地表沉降、支護樁豎向位移等方面數值模擬結果與現場實測值的吻合度相對更高，除了周邊地表及上部結構豎向位移外，數值計算最大值均在一定范圍內略大于對應的實測值。現場監測與數值模擬結果分析表明，下穿通道開挖過程中基坑周邊地表、支護樁及上部結構位移變形較小，施工穩定性較好。

5 結論

本文以十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風鐵路通道工程為背景，采用有限元軟件 ABAQUS 建立三維數值模型，開展下穿通道基坑開挖過程的數值模擬分析，并將模擬結果與現場實測數據進行對比分析，以檢驗該下穿通道的開挖穩定性，得到以下結論。

1）通過對比不同位置處位移響應的現場實測和數值分析數據可知，三維有限元分析能較好地重現下穿通道基坑開挖的施工過程；由于數值分析中忽略了軌道上方列車荷載的作用效應，上部結構豎向位移的計算值相對偏小。

2）現場監測數據與模擬結果表明，支護樁及列車軌道的沉降主要發生在基坑開挖區域；支護樁及列車軌道的豎向變形及差異沉降均很小，不影響列車的正常通行。

3）數值分析及現場實測數據均表明，下穿通道基坑開挖所致的周邊地表、支護樁及列車軌道的位移變化均在規范允許范圍之內，表明基坑的開挖穩定性可控，且其開挖方案、支護體系的設計及現場監測方案均較為合理有效。Q