市政管線改造施工對既有地鐵結構影響分析

魏東方，王斌 （合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

隨著城市發展，地下設施建設越來越密集，地下空間作為重要資源得到了越來越多的重視。近年來，合肥市基礎設施建設越來越完善，城區運營及在建地鐵線路接近10條，地鐵覆蓋范圍越來越廣。地鐵建設帶動周邊商業活力的同時，對周邊工程項目規劃、建設提出了更高的要求。地鐵隧道對變形敏感，基坑開挖施工會導致下方地鐵隧道產生變形（包括管片錯臺、管片變形、管片開裂和管片變位）。變形過大將會對隧道結構、列車行車安全產生很大影響。因此，對于上跨既有地鐵區間隧道的基坑工程，如何準確預測和防治地鐵上抬變形便成為急需解決的問題［1-8］。

城市道路下方為公共設施集中布設的場地，市政管線密集，穿越既有軌道交通設施的情況越來越多。市政管線維修、更新不得不考慮對地鐵設施的保護，考慮市政管線施工對地鐵結構安全影響。本文以合肥地區老舊道路改造中雨水箱涵改建為背景，通過三維有限元數值模擬和二維典型剖面計算，分析箱涵基坑開挖過程中，地鐵結構內力和變形的變化，判斷管線基坑施工對鄰近既有軌道交通線區間隧道造成的影響是否在安全可控的范圍內，并提出相應的應對措施，對為合肥地區類似項目提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本項目改造雨水箱涵位于合肥市翡翠路與芙蓉路交口，雨水箱涵尺寸3000×1600，箱涵基坑寬度4.8m，開挖深度4.8m，基坑圍護結構采用咬合樁+內支撐的復合支護形式。箱涵與合肥市軌道交通3號線繁華大道站～芙蓉路站區間平行，與區間右線隧道結構最小水平距離約7.7m，基坑底距離區間隧道結構約5.5m。結構剖面相對位置關系詳見圖1、圖2。

圖1 雨水箱涵支涵與區間隧道相對位置關系圖（1）

圖2 雨水箱涵與區間隧道相對位置關系圖（2）

1.2 工程地質條件

擬建場地宏觀地貌單元為江淮丘陵，微地貌單元為崗地與坳溝。上覆土層以第四紀沖積粘性土為主，下伏白堊系（K）棕紅色泥質砂巖風化帶，覆蓋層厚度（至中風化泥質砂巖面）約20～30m。

根據勘察資料，基坑所在地層從上到下依次為：①1填土、④2黏土。

①1層素填土（Qml）：層厚1.1～6.2m，灰黃、灰白、灰褐、雜色等，稍密狀態為主，局部松散、中密狀態，濕，該層上部10～15cm為黑色瀝青面層，其下為水泥結構層，厚約40～80cm，結構層以下為三合土及粘性土墊層，混碎石、砂、石灰等。

④2層粘土（Q3al+pl）：最大揭示厚度為11.7m，褐黃、灰黃、黃褐色，硬塑狀態為主，下部局部堅硬狀態，濕，網狀裂隙稍發育，局部夾薄層硬塑狀粉質粘土，含鐵錳質結核，氧化物、高嶺土等，下部含較多鈣質結核。光滑，無搖振反應，干強度及韌性高等。

土體物理力學參數見表1。

土體物理力學參數 表1

1.3 水文地質條件

項目所在位置地下水類型主要為上層滯水，分布于①1層素填土孔隙中，受大氣降水、地表水入滲補給，排泄方式以向低洼處滲流及蒸發為主，水量不豐富。地下水靜止水位埋深為1.1～3.0m，水面標高22.72～42.91m。地下水年變化幅度約2m。④2層粘土均為非含水層。

2 基坑開挖對鄰近地鐵結構影響分析

2.1 計算參數選取

為研究管道基坑施工對3號線區間隧道的影響，采用三維有限元模型進行分析。分析中盾構隧道結構假設為線彈性體，各土層則假設為彈塑性體，土體采用硬化模型（即修正mohr-Coulomb模型）。土體硬化本構模型能考慮粘土的硬化特征、能區分加荷和卸荷的區別，且其剛度依賴于應力歷史和應力路徑，計算結果能同時給出較為合理的墻體變形及墻后土體變形，適合于敏感環境下的基坑開挖數值分析。

土體硬化模型共有11個參數，包括：有效粘聚力c’、有效內摩擦角φ’、剪脹角Ψ、三軸固結排水剪切試驗的參考割線、固結試驗的參考切線模量、與模量應力水平相關的冪指數m、三軸固結排水卸載-再加載試驗的參考卸載再加載模量，卸載再加載泊松比υ，參考應力Pref、破壞比Rf、正常固結條件下的側壓力系數K0。

計算模型中兩側垂直邊界條件為水平固定，模型底面為水平及豎直方向均固定。

2.2 基本假設

①假定圍巖各層都是各向同性連續介質，土體采用Mohr-Coulomb模型，并采用Mohr-Coulomb破壞準則，Mohr-Coulomb模型在數值計算中效果較好，并且該準則能較好地描述巖土材料的破壞行為，在巖土領域得到了廣泛的應用。

②地層、隧道開挖區均采用實體單元模擬。

③盾構、管片主體結構采用板單元模擬，圍護結構采用梁單元模擬，材料均用線彈性材料。

④周邊既有建構筑物的超載按均布荷載作用于模型頂面。

⑤僅考慮靜水壓力，不考慮滲流影響。

⑥數值模擬按實際施工順序，分步驟模擬。

⑦模型四周邊界及下表面采用單向鉸支約束，上表面采用自由約束。

2.3 三維有限元分析

采用Midas GTS有限元軟件分析雨水箱涵基坑施工與合肥市軌道交通3號線繁華大道站～芙蓉路站區間隧道的影響，模型的整體尺寸為：X向120m，Y向67m，Z向50m。箱涵基坑深度4.8m，寬度4.8m，基坑支護采用樁+內支撐的復合支護形式，圍護結構采用咬合樁，采用一道雙拼槽鋼支撐。

計算分析過程完全按實際施工過程分為多個階段，荷載根據施工過程的變化逐步增加（或減小），邊界條件也相應調整，最終工況的結構內力和變形根據各個階段計算結果逐步累加而成，有限元模擬施工步驟如下。

工況一：初始應力場分析。

工況二：咬合樁及冠梁施工。

工況三：開挖到地下0.5m，架設鋼支撐。

工況四：開挖到雨水箱涵基坑底，即地下4.8m。

工況五：管道施工、基坑回填。

計算模型及結果如下：

圖3 計算模型（1）

圖4 計算模型（2）

圖5 隧道結構剪力云圖（雨水箱涵基坑開挖至地下0.5m處,盾構區間最大剪力為82.5kN）

圖6 隧道結構彎矩云圖(雨水箱涵基坑開挖至地下0.5m處,盾構區間最大彎矩為173.3kN·m)

圖7 隧道結構剪力云圖(雨水箱涵基坑開挖至地下4.8m處,盾構區間最大剪力為102.3kN)

圖8 隧道結構彎矩云圖(雨水箱涵基坑開挖至地下4.8m處,盾構區間最大彎矩為174.2kN·m)

圖9 隧道結構位移云圖（基坑開挖到地下0.5m時,盾構區間隆起最大位移0.23mm）

圖10 隧道結構位移云圖（雨水箱涵基坑開挖至地下4.8m處,盾構區間隆起最大位移2.58mm,差異沉降為0.64mm）

圖11 隧道結構位移云圖（基坑開挖到地下0.5m時,盾構區間最大水平位移0.09mm,最大徑向收斂0.18mm）

圖12 隧道結構位移云圖（雨水箱涵基坑開挖至地下4.8m處,盾構區間最大水平位移1.18mm,最大徑向收斂2.06mm）

圖13 模型中道床及軌道示意圖

圖14 雨水箱涵基坑開挖至地下4.89m處,軌道豎向位移云圖（最大豎向位移1.36mm）

圖15 雨水箱涵基坑開挖至地下4.89m處,軌道水平位移云圖（最大水平位移0.31mm）

有限元分析結果顯示，基坑開挖引起區間結構隆起，最大隆起量2.58mm，最大水平位移為1.18mm，最大徑向收斂2.06mm。軌道最大豎向位移1.36mm，最大水平位移0.31mm，均滿足變形控制要求。

有限元計算結果可以看出，基坑開挖至地面下0.5m處，盾構襯砌最大彎矩173.3kN·m，最大負彎矩-160.81kN·m；基坑開挖至地面下4.8m處，盾構襯砌最大彎矩174.21kN·m，最大負彎矩-162.43kN·m。管線基坑開挖過程引起盾構隧道襯砌結構彎矩變化較小，表明基坑開挖后區間隧道結構能滿足承載能力和正常使用要求。

2.4 基坑典型剖面二維計算

采用啟明星軟件，選取雨水箱涵基坑典型剖面計算圍護結構的變形。并將計算結果與三維有限元計算結果對比分析。

圖16 雨水箱涵基坑典型剖面計算結果

典型剖面二維計算結果可知，基坑施工過程中圍護結構樁身最大水平位移3.12mm，最大樁身彎矩155.9kN·m，最大地面沉降約4.0mm，滿足基坑變形控制要求。

2.5 二維剖面計算與三維有限元分析結果對比

通過二維典型剖面計算和三維有限元數值模擬分別計算基坑施工對鄰近地鐵區間結構變形影響，圍護結構水平位移和基坑周邊地表沉降計算結果對比見表2。

二維剖面計算與三維有限元分析結果對比 表2

對比分析二維典型剖面計算和三維有限元數值模擬結果可知，三維有限元分析結果中水平位移較二維分析大，而地表沉降較二維分析小。與二維剖面計算相比，三維有限元分析能更好地反映空間三維效應，計算結果更真實可靠。

3 結語

本文通過三維有限元數值模擬和二維典型剖面計算分析合肥地區大斷面雨水箱涵基坑施工對鄰近軌道交通區間結構影響，可得出結論和相關建議如下：

①通過對比有限元模擬和二維典型剖面計算結果可知，雨水箱涵基坑施工引起鄰近地鐵區間結構變形滿足相關要求；

②通過對比有限元模擬和二維典型剖面計算結果可知，三維有限元結果中水平位移大，而地表沉降較小，能更好地反映空間三維效應；

③基坑開挖階段，注意對稱、分層、分段開挖施工，采用跳倉法開挖；

④綜合考慮規范、軌道交通結構現狀及工程經驗，制定本工程變形控制指標，應嚴格按照變形控制指標進行監控量測；

⑤結構變形驗算滿足軌道交通結構變形控制要求，但施工期間應加強監測軌道結構變形，確保變形滿足結構變形及軌道變形要求；

⑥工程實施過程中，應采取有效的預防及應急措施，并進行動態監測，并結合監控數據，對土體開挖進行動態優化，動態施工。