溝槽基坑上穿城市地道的影響分析

牟曉偉

（青島水務集團有限公司，山東 青島 266000）

1 工程背景

本工程為某綜合改造市政配套二期工程，根據規劃，本工程范圍內城市區域由自排區（直排河道）改為強排區（通過水泵提升后排入河道），本工程根據規劃敷設DN2 200～DN2 400 雨水管，其中DN2 200雨水管上穿城市地道工程平面位置見圖1，位于兩條道路的交叉口附近。

圖1 穿越城市地道位置示意圖

城市地道盾構中心縱斷面見圖2，在DN2 200雨水管上穿盾構處，地面標高為4.328 m，盾構段頂部標高為-6.99 m，底部標高為-20.94 m，中心標高為-13.965 m，盾構部分外直徑為13.95 m，隧道內徑為12.75 m，隧道環寬2 m，采用通用環錯縫拼裝。

圖2 圓形隧道盾心縱斷面示意圖（單位：mm）

2 設計思路

該新建雨水管采用溝槽開挖的方式敷設，基坑尺寸為4.8 m 寬度、20 m 長度、5.628 m 挖深度，周邊環境復雜，安全等級為三級，因一倍基坑深度范圍內有城市盾構段，故環境保護等級為一級，該基坑底部距離盾構段的垂直距離為5.69 m。DN2 200 管道上穿城市的溝槽平面和剖面見圖3、圖4。

圖3 上穿城市地道基坑圍護平面布置圖（單位：mm）

圖4 上穿城市地道基坑圍護剖面圖（單位：mm）

采用溝槽開挖的形式，兩側用MJS 樁φ2 600 擺噴@800，內插型鋼HN700×300×13×24，坑底至地面上用MJS 樁滿堂加固，溝槽開挖至最底處時底部有三米厚MJS 加固。內部支撐采用φ609×16 鋼管支撐@4 000，每隔4 m 設置一道內支撐，內支撐的長度為4.8 m。

3 抗浮設計

上穿城市地道基坑開挖對下部隧道抗浮可能產生影響，若一次性整體開挖，使得底部城市地道上部覆土減少從而引起上浮，故采用分段開挖來控制地道的上浮。分段開挖[1]必須嚴格控制基坑一次性開挖長度，見圖5。因此，該基坑施工流程如下：

圖5 上穿城市地道基坑開挖示意圖（單位：mm）

（1）首先測量擬建工程場地，并按設計圖紙的標高要求平整場地。

（2）地面上放坡開挖，開挖基坑兩側采用0.5∶1放坡。

（3）兩側用MJS 樁φ2 600 擺噴@1 300，基坑兩側插入型鋼HN700×300×13×24@800。地面上MJS 樁滿堂加固施工。

（4）加固完成后，開挖至標高2.428，然后澆筑鋼筋混凝土圍檁,鋼管支撐施加10 kN 預加力。圍檁中心標高2.928。

（5）待圍檁達到設計強度后，基坑內部分段開挖至標高-1.300。溝槽開挖時，開挖基坑兩側沿管道敷設方向采用1∶0.5 放坡。每段開挖時長不得超過1 d，總時長不超過12 d。

（6）隨著管道的敷設完畢，利用水泥土回填壓密實，坡率1∶0.5，確保每次開挖基坑底部的每段縱向長度不大于2.5 m。

（7）施工過程中，DN2 200 管道內部堆積不少于管道一半體積的沙袋。

（8）施工過程中，底下水位控制在3.328 以下。

抗浮設計分為兩個工況，分別為施工過程中和施工完成后。施工過程中當未采取任何有效抗浮措施時，抗浮系數計算得0.73＜1.05，整個地道抗浮破壞。當考慮了沙袋堆壓和分段開挖、水泥土分段回填的有利因素，抗浮系數為1.08≥1.05，工況抗浮滿足要求。施工完成后撤去所有沙袋，同時考慮了水泥土回填完整的有利因素，抗浮系數為1.138≥1.05，抗浮工況滿足要求。

通過對比分析采取措施前后計算結果可以得到當采用分段開挖的方法，嚴格控制每段開挖的時間，并在管道施工過程中在管道內部堆積沙袋，同時回填土采用密度較大的水泥土等措施，可以有效避免已建地道受到浮力而破壞。

4 變形分析

新建管道采用溝槽開挖的方式埋設，溝槽開挖會對軌道交通區間地道產生一定的影響。隧道上部河道土體開挖，隧道埋深減少，土壓降低，垂直荷載下降，隧道產生附加變形及附加內力會對盾構結構產生不利影響，嚴重時可導致地道盾構管片破裂、接縫張開，影響地道車輛通行[2]。

為分析溝槽開挖對地道變形的影響，采用Plaxis 3D有限元軟件對上穿城市分析，本模型考慮施工時可能出現回填土不及時，按最不利工況(沒有回填)進行計算[3，4]。為減小邊界對模擬結果的影響，根據隧道埋深和周邊環境，計算范圍設置如下：模型深度為100 m，水平向120 m。溝槽設計底高程與隧道拱頂的距離約為5.69 m，地下水位線位于地表以下0.5 m。在土體初始應力平衡后將基坑開挖分為8 個工況分步計算：城市地道盾構施工完成；城市地道內部清空土體并降水；地面上放坡開挖，并插入型鋼；MJS 土體滿堂加固；基坑內部降至指定水位線；溝槽開挖至第一道支撐下部指定位置；第一道支撐施工；溝槽開挖至基坑坑底部，開挖完畢。

土體采用三角形單元；圍護結構、鄰近基礎、工程樁采用梁單元；地道采用板單元；內支撐采用彈簧。考慮圍護結構、鄰近基礎、工程樁和隧道與土體共同作用。在管線相應位置建立節點，來間接反映基坑開挖對地下管線的影響(即不考慮管線自身的剛度影響)。圍護結構與土之間設接觸面單元。該模型在巖土工程中應用較多。計算中不同分層土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數由勘察報告提供，彈性模量則根據大量類似工程的監測數據反演得到。模型[5]的四周邊界施加水平方向位移約束，模型見圖6，結果見圖7、圖8。

圖6 P la xis 3D 計算模型

圖7 P la xis 3D 模型變形云圖

圖8 城市地道變形云圖

經仿真計算，城市地道處土體的最大豎向位移為6.09 mm，最大水平位移為2.05 mm。根據《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497—2019）及地方標準，最大側向位移限值為0.18%倍基坑深度即10.13 mm，最大沉降限值為0.15%倍基坑深度即8.442 mm,變形均滿足要求。因該地道形式與地鐵盾構相似，根據《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497—2019）并參考地鐵保護技術標準，下部地道結構變形應小于20 mm。有限元結果得出該城市地道水平位移0.504 mm，豎向位移2.18 mm，土體的水平位移和豎向滿足下部地道變形小于20 mm 的要求[6]。

5 結 論

（1）城市地下新建管道施工中，新建管道從上部穿越較大的已建地道時，易使地道的承受較大的浮力而破壞。針對這種問題，建議采取分段、分層、限時開挖，避免超挖，減小隧道的變形量，并可以在管道施工過程中在管道內部堆積沙袋，同時回填土采用密度較大的水泥土等措施，可以有效避免已建地道受到浮力而破壞。

（2）由于新建管道溝槽開挖產生土體變化，從而引起既有地道結構的變形。針對這種問題，采用有限元分析的方法，通過驗算最不利工況(沒有回填)，考慮基坑底部采用MJS 注漿加固的影響，判斷開挖對既有結構的豎向隆起變形和水平位移，通過有限元計算結果與限值比較從而確保既有結構物的安全性。

（3）對于地下新建工程穿越既有結構物，若變形或抗浮不滿足要求時也可進一步采用擴大MJS 注漿使用范圍、施工期間溝槽旁放置施工機械等措施，相應措施有待于進一步研究。