綜合管廊近距離并行既有地鐵隧道的安全評估研究

黎 鉅 宏

（佛山市地鐵建設有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

城市地下綜合管廊是將電力、通信、供水等各種市政公用管線根據規劃的要求集中鋪設在地下建造的市政公用隧道空間內。相比傳統的地面鋪設方式，地下綜合管廊不僅可以避免管道線路之間的交叉干擾，還能清晰地標識管廊內的各線路、設備、材料等信息，同時方便維護和管理，具有更好的安全性、美觀性等優點。

為更好管理市政管線，許多城市已開始廣泛采用地下綜合管廊。地下管廊作為地下結構，與城市軌道交通不可避免會存在一定沖突，研究綜合管廊對地鐵結構的影響具有現實意義。以佛山市某道路工程綜合管廊項目近距離并行佛山既有地鐵隧道為例，利用有限元分析軟件MIDAS/GTS 分別建立二維模型和三維模型，對地鐵既有隧道的受力和變形進行分析研究，并從設計、施工、監測等角度提出地鐵保護要求措施[1-2]。

1 工程概況

1.1 管廊概況

廣東省佛山市某道路工程項目全長約10 km，城市主干道，設計速度為60 km/h，規劃紅線寬度為45 m。項目主要包括道路工程、綜合管廊工程、橋梁工程等內容。管廊外包尺寸為6 100 mm×4 100 mm，頂板覆土約3.0 m，管廊采用明挖法施工，基坑深約7.5 m，采用SMW 工法樁支護（三軸攪拌樁Φ850 mm@600 mm，內插H 型鋼），支護樁長約21 m（H 型鋼長約18.5 m）。

1.2 地鐵隧道概況

管廊影響范圍內，佛山市某既有地鐵隧道線路軌面埋深約28.0 m，隧道頂覆土約23.10 m。既有地鐵隧道區間采用盾構法施工，盾構外徑約6.2 m，內徑約5.44 m，管片厚度為0.38 m。軌道采用一般無砟軌道，軌道結構高度為780 mm。地鐵隧道主要穿越＜2-1B＞淤泥質土、＜2-2-1＞粉細砂、＜2-4＞粉質黏土層。地鐵區間隧道地面加固采用三軸攪拌樁，強加固區豎向范圍為盾構隧道結構頂部以上3 m 至軟弱土層底，三軸攪拌樁水泥摻量為22%。強加固區頂面以上至地面為弱加固區，三軸攪拌樁水泥摻量為8%。地鐵區間隧道已完成土建施工。

1.3 地質和水文概況

工程場地由上至下依次為：＜1-1＞素填土、＜2-1B＞淤泥質土、＜2-2-1＞粉細砂、＜2-4＞粉質黏土、＜3-1＞粉細砂、＜8-2＞中風化泥質粉砂巖。地下水水位埋藏變化較小，主要為第四系松散孔隙水，地下水位普遍較淺，實測鉆孔靜止水位埋深為0～3.20 m，平均埋深為1.60 m。

1.4 管廊與既有地鐵隧道的位置關系

管廊與既有地鐵隧道基本呈現平行關系。綜合管廊與既有地鐵隧道的關系剖面圖見圖1。管廊約有1.2 km 與地鐵隧道共線。管廊基坑外側距離區間隧道外緣最小水平距離約為2.0 m，管廊基坑支護樁底與區間隧道最小豎向凈距為2.0 m。根據相關規范要求，管廊位于地鐵隧道特別保護區內，管廊施工對地鐵隧道的影響等級為特級[3]。

2 建立數值模型

2.1 邊界條件

對各結構構件及地層進行有限元模擬，模型主要荷載包括單元自重、土體壓力、地面超載等，周邊環境按無限剛度體模擬。二維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部X與Y方向位移約束，模型左右面X方向位移約束。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部施加X，Y，Z三個方向的位移約束，模型前后面施加Y方向的位移約束，模型左右面施加X方向的位移約束，見圖2～圖3。

圖3 結構三維有限元模型

2.2 計算參數及本構關系

對于二維模型，采用平面應變單元模擬地層，梁單元模擬結構盾構管片、墻板、連續墻、隧道襯砌、支撐、冠梁等。對于三維模型，采用實體單元模擬地層，板單元模擬管廊墻板，梁單元模擬冠梁、腰梁、支撐等。分析采用摩爾-庫倫破壞準則仿真模擬地層。基坑深度約7.5 m，計算模型范圍以管廊基坑和地鐵隧道外輪廓為基準外擴≥30 m。管廊板、墻厚0.5 m，采用C35 級混凝土；地鐵隧道管片厚0.3 m，采用C35 級混凝土；H 型鋼厚0.3 m。以上結構本構關系為彈性。巖土層物理力學參數見表1。

表1 巖土層物理力學參數

2.3 分析工況

本分析采用7 個施工步驟進行模擬,見表2。土體是具有一定密實度的連續介質，深基坑內土體開挖卸荷時，地層損失向地鐵結構傳遞，引起地鐵結構側部土壓力的變化，導致地鐵結構位移發生改變。故開挖卸荷是影響地鐵結構周圍位移場、應力場的一個重要因素。本工程對地鐵結構的影響主要表現在管廊基坑施工對盾構隧道結構產生影響，引起盾構管片內力及位移的變化。

表2 施工步驟分析

3 結果分析

經二維有限元分析，計算出管廊施工引起既有地鐵隧道的位移：X向水平位移、Z向豎向位移、總位移最大變化量分別為3.528 mm，3.024 mm，3.571 mm（如圖4 所示），X向水平位移、總位移均發生在開挖第2 層土時的工況，Z向豎向位移發生在回填覆土時工況；管廊施工引起既有地鐵隧道的彎矩、剪力、軸力最大值分別為144 kN·m，237 kN，2 000 kN，地鐵隧道內力最大值發生在基坑開挖第1 層、第2 層土時工況。

經三維有限元分析，計算出管廊施工引起既有地鐵隧道的位移：X向水平位移、Y向水平位移、Z向豎向位移、總位移分別為0.014 mm，2.047 mm，2.982 mm，3.487 mm（如圖5 所示）；X向水平位移、Y向水平位移、Z 向豎向位移、總位移均發生在開挖第2 層土時的工況；管廊施工引起既有地鐵隧道的彎矩、剪力、軸力最大值分別為120 kN·m，219 kN，1 525 kN，地鐵隧道內力最大值均發生在回填覆土時工況。管廊施工引起的隧道結構管片計算配筋為2 202 mm2，小于原隧道結構管片的配筋4 560 mm2。

圖5 基坑開挖第2 層土時地鐵隧道三維總位移云圖（m）

綜上所述，三維計算的Z向豎向位移、總位移約為二維計算的98.6%，97.6%，三維計算的彎矩、剪力、軸力約為二維計算的83.3%，92.4%，76.3%。二維計算的位移與三維計算比較接近，三維計算的內力約為二維計算的85%。該管廊基坑開挖及路面填土對鄰近既有地鐵隧道的變形和受力產生一定程度的改變，數值模擬計算的位移≤10 mm，引起地鐵隧道的受力變化亦處于較低水平，主要因為管廊基坑和既有地鐵隧道設計時均考慮對土層進行了一定程度的加固，改善了管廊基坑和地鐵隧道周邊土體的物理力學性質（數值模型上對該范圍原狀土層參數進行了調整），故對土層進行預加固對地鐵結構能起到一定的保護作用。

4 結語

綜上所述，本文對管廊施工中既有地鐵隧道的影響進行分析，分析結果表明二維模擬計算出來的位移和內力值均比三維模擬的要大，但三維計算能反映地鐵隧道沿縱向的位移和內力變化，也能反映隧道受力的真實狀況。建議在臨近既有隧道周邊施工綜合管廊時，應采用三維數值模擬對項目進行安全評估分析。

由于地層的復雜性，模型計算進行了一定的簡化和假定，數值計算結果僅作為一個重要的參考數據。為能更好地保護地鐵結構，從設計、施工、監測等角度對該管廊項目提出以下建議。

1）對處于深厚軟土和砂土的地鐵隧道，有必要對地鐵隧道輪廓3 m 范圍的軟土進行加固。臨近地鐵隧道的管廊基坑應選擇對土層擾動少、止水效果好的支護形式，并應對基底下軟土進行加固。

2）攪拌樁施工前需認真復測地面標高，并核實地鐵結構位置、標高，嚴格記錄鉆桿實時深度，控制進漿壓力。同時拔除H 型鋼板樁時，應采用振動較小的施工機械。

3）基坑不宜連續超前降水，防止因降水原因對地鐵結構造成破壞。施工時應注意不得大量抽排地下水，應采取有效措施避免地下結構周邊水土流失，嚴格控制水位累計變化幅度及每天變化速率，滿足相關規范要求。

4）除按規范對地鐵隧道各監測項目進行監測外，還應重點監測地鐵隧道的橢變（建議按不超過5‰考慮）。