某人行地道工程對既有地鐵隧道的影響分析

茅燕兵 MAO Yan-bing

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510030）

1 工程概況

1.1 軌道交通工程

既有地鐵隧道采用盾構法施工，人行地道處區間線間距為14m左右，最大坡度26‰，最小坡度3.3‰。區間穿越的土層主要有5-3-4黏土、10-7A-1全風化頁巖、10-1-3中風化石灰巖，隧道頂部埋深9.8～19.5m。隧道結構采用單層預制鋼筋混凝土管片襯砌，內徑5500mm、厚度350mm、環寬1.2m。管片采用錯縫拼裝，在縱縫接觸面設有榫槽。

1.2 人行地道工程

人行地道平面呈反“C”形布置，通道以暗埋段形式穿越御景路，并在御景路人行道邊紅線外側設置平行于御景路走向的坡道。坡道敞開段采用U型槽結構，主通道暗埋段及坡道段暗埋段采用單室箱型結構，通道中部設置單泵房，主通道基坑深8.7m。人行通道底部開挖面至左線、右線隧道頂部豎向距離均為9.4m。圍護樁至隧道豎向最近距離為5.28m。

1.3 軌道交通結構現狀調查及評估

根據軌道交通運營第一期沉降成果資料，施工影響范圍內本地鐵隧道沉降及收斂情況統計左線監測沉降值最大值為3.16mm，施工影響范圍內右線監測隧道沉降值最大值為5.66mm。監測數據顯示施工影響范圍內，左線監測收斂值橫徑最大值為0.7mm，左線監測收斂值豎徑最大值為-0.7mm。施工影響范圍內右線監測隧道收斂值橫徑最大值為0.8mm，右線監測收斂值豎徑最大值為-0.7mm。從監測數據得出，區間隧道在施工影響范圍內收斂現狀狀況良好。

2 人行地道基坑工程設計

2.1 基坑主要尺寸

基坑主通道長92m，兩側爬坡段長32m，基坑最深8.7m，平面呈反“C”形布置。

2.2 主要設計參數

根據基坑設計方案，基坑最深約8.7m，圍護結構采用Φ800@1200鉆孔灌注樁+?650@450三軸攪拌樁止水帷幕，豎向設置一道600×800混凝土支撐間距約7.5m。圍護樁兼做抗浮，爬坡段采用抗拔樁。

2.3 主要設計原則

①基坑設計使用年限2年；

②基坑安全等級為2級，重要性系數為1.0；

③基坑變形保護等級為2級，穩定性安全系數按《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012）執行；

④抗浮安全系數不小于1.15，抗浮設計水位取地面下0.5m。

3 數值分析

3.1 計算模型

為分析頂管施工對既有地鐵工程的影響，采用Midas/GTS三維有限元軟件進行數值模擬分析，考慮到工程模擬精度與效率[1]，土層模型尺寸長×寬×高分別定為140m×160m×50m，模型節點85070個，單元112484個。在模型中，根據設計圖紙及詳勘資料：土體從地表往下簡化為4層，采用實體單元混合網格模擬，計算分析土層采用彈性模型、M-C模型和修正M-C模型，圍護結構、盾構管片、基坑外旋噴樁加固采用2D板單元（shell element）模擬[2]。

計算模型如圖1所示。計算所用參數見表1和表2。

圖1 數值計算模型

表1 地層物理學參數表

表2 結構物理學參數表

3.2 初始與邊界條件

邊界條件：模型四周邊界約束水平方向位移，豎直方向位移自由；底部XYZ方向全約束，為固定邊界條件；頂端地面為自由邊界[3]。

初始條件：模擬的初始條件為地鐵隧道施工完畢，并與地層達到穩定平衡狀態，作為工程施工的初始條件。

3.3 施工模擬工況

為了進一步降低通道施工對下方地鐵隧道結構影響，考慮隧道土體分段開挖的施工方案，減小一次性大開挖造成的卸載隆起效應，本計算采用Midas/GTS三維有限元模擬軟件進行分析建模，考慮重要的施工步驟，簡化合并相對次要的施工過程[4]，本次模擬施工步驟（工況）主要分為10個部分，如表3所示，本文取最不利工況結果。

表3 分析工況表

3.4 計算結果分析

分別對10種工況進行了有限元數值分析，將各工況隧道結構變形計算結果總結如圖2-圖4所示，由圖中數據分析可得出以下幾點結論。

圖2 各工況水平向變形值

圖4 各工況總變形值

①通道施工引起的隧道結構變形總體較小，最大不超過1mm；

②一期工程施工影響較小，對隧道影響可忽略不計；

③施工過程工況9對既有地鐵隧道變形影響最大，水平位移最大值為0.63mm，隆起最大值為1.07mm；

④施工對隧道右線影響相對較大，與上方基坑開挖體量較大相對應。

圖3 各工況垂直向變形值

選取工況9（最不利工況）計算結果見圖5～圖7。

圖5 水平向變形

圖7 總變形云圖

隧道內力復核，選取最不利工況9右線隧道最不利斷面管片變形結果進行裂縫驗算分析，分析結果如表4，最不利工況計算云圖如圖8。

圖8 施工后結構內力

根據表4經對比施工前后管片彎矩變化彎矩、軸力稍微增加，但配筋仍可滿足規范要求。可見施工對管片應力變化影響較小，可忽略。

表4 隧道內力計算表

圖6 豎向變形

4 結語

①結合類似工程經驗，為減小基坑施工對下臥隧道的影響，基坑開挖采取分段施工的措施，施工引起隧道最大上浮量不超過0.9mm，結構回筑完成后，隧道隧道上浮為0.52mm，能夠滿足對隧道的保護要求。②經有限元分析模擬，工況9開挖時隧道的影響較大，應加強該階段基坑施工控制。③取消原方案抗拔樁設置，減少樁基對隧道的影響，基坑敞口段利用圍護樁兼做壓頂梁的方式解決抗浮，無法設置壓頂梁部位采用配重法解決抗浮。④基坑施工前應編制詳細的降水方案，基坑周邊補充設置水位觀測井（檢驗止水帷幕效果），并設置部分回灌井，監測御景路道路及周邊管線的沉降變形。降水期間應根據隧道變形監測情況，及時啟動回灌措施。⑤為減少隧道的變形影響，建議左線隧道正上方基坑與右線上方基坑分期施工。待左線隧道正上方結構施工完畢及覆土回填后，再進行右線基坑的施作。⑥為準確掌握樁基和基坑開挖過程中盾構隧道的變形，應委托有資質第三方監測單位編制詳細的監測方案，進行施工過程中的嚴密監測。