新建箱涵小凈距上穿既有城際隧道影響分析

何冠男

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710043

在地鐵沿線附近及正上方進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，由于機(jī)械施工擾動(dòng)、土層開(kāi)挖卸荷打破地鐵隧道周圍土體應(yīng)力平衡，難免就會(huì)導(dǎo)致隧道產(chǎn)生移動(dòng)與變形，嚴(yán)重可使隧道出現(xiàn)開(kāi)裂、滲漏等重大安全事故。由于地鐵隧道的脆弱性與高安全性，故對(duì)位移變形控制十分嚴(yán)格。

郭勁睿[1]等利用 MIDAS/GTS NX 軟件模擬分層放坡方案與原豎井方案的對(duì)比，并模擬了隧道洞內(nèi)堆載與場(chǎng)地土體回填等措施來(lái)控制既有隧道隆起量；文仁學(xué)[2]等運(yùn)用有限元軟件分析了“隔三挖一”順序抽條開(kāi)挖與“抗浮板+抗拔樁”開(kāi)挖兩種施工方法的異同以點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)；郭曉歡[3]等對(duì)北京某緊鄰地鐵車站基坑采用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示鄰近地鐵基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的水平和豎向產(chǎn)生影響，且基坑開(kāi)挖位于隧道結(jié)構(gòu)側(cè)向時(shí)，隧道以水平位移變形為主；郭鵬飛[4]等通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)上跨隧道的基坑工程案例進(jìn)行總結(jié)歸類分析得出結(jié)論，隧道所處的地質(zhì)條件對(duì)隧道隆起變形影響較大，其次是基坑開(kāi)挖深度、開(kāi)挖面積、基坑形狀等因素；李振[5]通過(guò)分析上跨地鐵隧道的箱涵工程，得出抗拔樁與管幕門(mén)式加固能有效減小既有隧道豎向位移值與水平位移值；陳濤[6]對(duì)箱涵上跨地鐵盾構(gòu)區(qū)間展開(kāi)數(shù)值分析，提出了箱涵頂進(jìn)過(guò)程中采用自適應(yīng)配重可有效控制隧道上浮變形；張瑞金[7]用 Midas GTS 軟件，分別利用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)和修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)對(duì)北京地區(qū)地鐵某 CRD 法通道施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)較好的解決了該地層采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)下地面隆起變形和坑道底部土體隆起偏大的情況，分析結(jié)果更接近監(jiān)測(cè)數(shù)值；胡建林等[8]通過(guò)對(duì)基坑變形情況進(jìn)行數(shù)值分析，修正摩爾庫(kù)倫模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的位移規(guī)律曲線相比摩爾庫(kù)倫模型更為吻合；

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于地鐵區(qū)間上方小凈距明挖施工箱涵工程的相關(guān)研究及工程報(bào)道較少，新建佛山市裕和路箱涵工程，下臥既有隧道為明挖施工矩形結(jié)構(gòu)隧道。箱涵結(jié)構(gòu)底部與既有廣佛環(huán)線區(qū)間隧道頂板最小凈距0.6m，屬國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)。

本文結(jié)合以往工程實(shí)例，提出小凈距情況下分段明挖施工箱涵工程，利用摩爾庫(kù)倫和修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值分析，得到新建箱涵結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中既有地鐵隧道的變形規(guī)律，為新建上跨箱涵施工方案提供理論支撐。實(shí)際施工監(jiān)測(cè)值說(shuō)明修正摩爾庫(kù)倫模型計(jì)算數(shù)值更接近實(shí)測(cè)值。

1 工程概況

1.1 交叉段廣佛環(huán)城際鐵路概況

廣佛環(huán)線東平2號(hào)隧道沿裕和路行進(jìn)，隧道為明挖箱型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)凈寬17.7m，高10.5m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)護(hù)采用1m厚鋼筋混凝土連續(xù)墻。結(jié)構(gòu)頂板厚1m，底板厚1.1m，側(cè)墻厚0.9m。

圖1 交叉段廣佛環(huán)隧道結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 裕和路箱涵工程概況

新建箱涵為 C40 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每孔尺寸凈寬 6m，凈高 4.0m，涵中心長(zhǎng) 57m；箱涵頂、底板厚 55cm，邊、中側(cè)墻厚 50cm。基底設(shè)置兩排Φ1500抗拔樁。

1.3 工程地質(zhì)概況

經(jīng)勘察鉆孔揭示箱涵基坑及廣佛環(huán)隧道深度范圍內(nèi)自上至下地質(zhì)分層分別為第四系人工填土層()（厚度為3m）、第四系全新統(tǒng)細(xì)沙層()（厚度為12m）、第四系全新統(tǒng)中沙層()（厚度為8m）、第三系始新統(tǒng)強(qiáng)風(fēng)化巖層()（厚度為8m）和第三系始新統(tǒng)中風(fēng)化巖層()（厚度大于25m）。根據(jù)地勘資料第四系地下水位埋深0～5.3m，平均埋深為1.9m，水位高程-0.66～3.77m。

2 箱涵施工方案

為確保新城區(qū)防洪排澇安全，箱涵必須滿足河涌過(guò)流能力，箱涵底板高程受限。方案優(yōu)化后，箱涵底板與廣佛環(huán)隧道頂板最小間距為0.6m。

由于間距過(guò)小，有限空間內(nèi)管幕無(wú)法施做，箱涵無(wú)法采用頂進(jìn)法施工，故箱涵只能采用明挖法施工。本研究提出了基坑分段開(kāi)挖結(jié)合箱涵底板反壓回填措施，箱涵底于廣佛環(huán)隧道兩側(cè)布置兩排抗拔樁與廣佛環(huán)既有連續(xù)墻共同限制土體變形。連續(xù)墻鑿除時(shí)預(yù)留鋼筋與后期施做的箱涵底板連接[9]。

3 既有隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

本次評(píng)估對(duì)于沉降控制值按照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》CJJ/T202-2013辦理。本段廣佛環(huán)線施工時(shí)尚未鋪軌，鋪軌前隧道頂板底板豎向位移：采用±10mm作為豎向位移行動(dòng)值，±20mm作為豎向位移控制值；采用±10mm作為水平方向位移行動(dòng)值，±20mm作為水平方向位移控制值。

4 數(shù)值分析

4.1 本構(gòu)模型選取

本文依托于實(shí)際工程案例，采用修正摩爾庫(kù)倫模型與傳統(tǒng)摩爾庫(kù)倫模型進(jìn)行對(duì)比分析，分析采用 MIDASGTS/NX 有限元分析軟件，該軟件提供了修正摩爾庫(kù)倫模型（Modified Mohr Coulomb Model），以下簡(jiǎn)稱M-MC 模型），該模型是對(duì) Mohr-Coulomb 模型的優(yōu)化，彈性模量可以根據(jù)加載和卸載設(shè)置不同的值，故更適合分析基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的卸荷效應(yīng)。

修正摩爾庫(kù)倫模型是由摩爾庫(kù)倫模型本構(gòu)上發(fā)展而來(lái)的本構(gòu)模型，適用于各種類型的地基土，尤其是砂土等具有摩擦特性的材料。

這是因?yàn)镸-C本構(gòu)為彈-理想塑性模型，土體剛度單一，它能較好地描述土體的破壞行為，認(rèn)為土體在達(dá)到抗剪強(qiáng)度之前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，因而不能較好的描述土體在破壞之前的變形行為，且不能考慮應(yīng)力歷史的影響及區(qū)分加荷和卸荷。M-MC本構(gòu)剪切屈服面和壓縮屈服面是獨(dú)立的，剪切屈服面與摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構(gòu)，考慮了土體的剪脹和中性加荷。M-MC本構(gòu)在主應(yīng)力空間中屈服面并不是固定不變，而是可以隨著塑性應(yīng)變而擴(kuò)張[10]。

本次計(jì)算中假定前提如下：

（1）地層采用實(shí)體單元，地層考慮采用Mohr-Coulomb與修正Mohr-Coulomb對(duì)比分析；

（2）混凝土結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，支撐采用線彈性材料模擬；

（3）模型四周邊界單向鉸支約束，上表面自由，底部固結(jié)約束。

4.2 模型建立

計(jì)算模型取裕和路及廣佛環(huán)隧道線路走向?yàn)閅軸，豎直為Z軸，裕和路箱涵過(guò)水方向?yàn)閄軸。在建立計(jì)算模型時(shí)，以Saint Venant原理為指導(dǎo)，根據(jù)既有廣佛環(huán)隧道及箱涵斷面尺寸，模型X方向和Y方向均取70m；Z方向根據(jù)地質(zhì)鉆孔信息，素填土層取3m，細(xì)砂1取12m，細(xì)砂2取8m，強(qiáng)風(fēng)化砂巖取8m，中風(fēng)化砂巖取25.6m；模型上部為自由邊界條件，最底部為固定邊界，X軸方向水平位移約束，Y 軸方向前后位移約束。

4.3 參數(shù)選取

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

圖3 M-MC模型四期開(kāi)挖方案階段2水平位移云圖

圖4 二期開(kāi)挖方案底板隧道水平位移曲線

圖5 四期開(kāi)挖方案底板隧道水平位移曲線

圖6 M-MC模型四期開(kāi)挖階段7豎向位移云圖

圖7 二期開(kāi)挖方案隧道底板位移曲線

圖8 四期開(kāi)挖方案隧道底板豎向位移云圖

圖9 箱涵施工期間隧道底板位移監(jiān)測(cè)曲線

4.4 分析工況

本次模型計(jì)算包含箱涵分2期分段施做及4期分段施做兩種施工方案，其中，2期分段開(kāi)挖箱涵底板采用壓重措施降低開(kāi)挖卸載作用。考慮到箱涵如果采用先兩側(cè)后中間的施工順序，則會(huì)在施工中間段箱涵時(shí)，同時(shí)破除隧道兩側(cè)連續(xù)墻，對(duì)隧道擾動(dòng)較大，故箱涵以隧道中心線分界兩側(cè)兩段先后施工。

為簡(jiǎn)化施工工序，箱涵4期施做方案已最大限度降低單次卸荷量，故不采用回填壓重以簡(jiǎn)化施工工序。

4.5 計(jì)算結(jié)果

（1）道床水平位移分析

表1 隧道底板最大水平位移

隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移位于頂板且均未超過(guò)規(guī)范控制值，其中，修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果明顯小于摩爾庫(kù)倫模型。

（2）道床豎向位移分析

表2 隧道底板最大豎向位移

結(jié)構(gòu)最大豎向位移位于底板及側(cè)墻，且均未超過(guò)規(guī)范控制值，其中，修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果明顯小于摩爾庫(kù)倫模型。

4.6 分析結(jié)論

從模型分析結(jié)果得出，修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果明顯小于摩爾庫(kù)倫模型，尤其是針對(duì)水平位移。兩種施工方案的計(jì)算結(jié)果比較接近，根據(jù)修正摩爾庫(kù)倫模型的計(jì)算結(jié)果，二期開(kāi)挖加反壓回填的位移控制效果略好于四期開(kāi)挖方案。如能在雨季來(lái)臨前完成箱涵施工，推薦二期開(kāi)挖加反壓回填方案。

5 施工監(jiān)測(cè)情況

5.1 施工概況

箱涵基坑施工于3月份開(kāi)工，采用明挖法分兩期施工，6月份已完成路面恢復(fù)。基坑開(kāi)挖過(guò)程中最大程度的減少了基地暴露時(shí)間，挖至基底后三日內(nèi)即完成底板澆筑。另外箱涵于非雨季施工，基坑內(nèi)無(wú)積水。開(kāi)挖過(guò)程中配合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做好了壓重預(yù)備應(yīng)急措施。

5.2 計(jì)算數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)單位提供數(shù)據(jù)，施工期間箱涵正下方隧道底板最大隆起1.9mm，最大水平位移0.5mm。滿足規(guī)范要求且沒(méi)有觸及預(yù)警值。

根據(jù)前述數(shù)值分析，基坑二期開(kāi)挖方案，摩爾庫(kù)倫模型，底板最大隆起8.1mm，最大水平位移2.5mm。而在修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型下，底板最大隆起3.7mm，最大水平位移0.8mm。修正摩爾庫(kù)倫計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際變形值。本次箱涵施工并未采取隧道周圍土體注漿加固措施，考慮到廣佛環(huán)明挖隧道地連墻為嵌巖地連墻，有效的起到了隔離和抗拔作用。本次研究前期也對(duì)不包含連續(xù)墻的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明無(wú)連續(xù)墻作用的情況，基坑開(kāi)挖造成的隆起值遠(yuǎn)大于規(guī)范限值。

6 結(jié)論

1）明挖箱涵，地下通道等市政工程，基底距離既有隧道結(jié)構(gòu)太近而無(wú)法采用頂進(jìn)施工法的情況下，采用基坑分期開(kāi)挖加底板反壓回填的措施具備可行性。

2）根據(jù)數(shù)值分析，在既有隧道上覆基坑規(guī)模不大的情況下，基坑可不必過(guò)多分段施工，本次箱涵工程分兩期施工依然可以確保既有結(jié)構(gòu)變形在規(guī)范限值之內(nèi)。

3）修正MC本構(gòu)模型考慮了土體彈性卸載/再加載時(shí)的彈性模量，從而能較好的解決了M-C本構(gòu)模型下地面隆起變形和坑道底部土體隆起偏大的情況。修正摩爾庫(kù)倫模型的位移計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值更為接近。

4）不同于盾構(gòu)隧道，既有明挖隧道若有連續(xù)墻或圍護(hù)樁的保護(hù)作用，則不需要做地層注漿加固措施。