李趙九 （中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000）

1 引言

隨著城市地下空間開發(fā)進(jìn)程的加速，地下工程施工過程中經(jīng)常會遇到與既有地下構(gòu)筑物近接施工的問題，尤其是對既有運營線的影響更是備受關(guān)注。

由于現(xiàn)階段地鐵運營區(qū)間的變形控制量較小，基坑施工過程中較容易產(chǎn)生上浮，加上地鐵運行過程中的震動等因素的影響，盾構(gòu)區(qū)間的變形變化是個動態(tài)過程，如何較合理評估基坑開挖對盾構(gòu)的影響一直是個難點。

本文以深圳前海雙界河基坑施工對下臥既有運營盾構(gòu)為依托，采用二維有限元法研究基坑開挖對既有盾構(gòu)隧道的影響，并對影響程度進(jìn)行評估，為類似工程問題提供參考。的平順性，因此本工程施工時需要采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以減少對既有地鐵隧道的不利影響。雙界河地下道路與地鐵線路的平面關(guān)系如圖1 所示。

擬開展的地鐵保護(hù)區(qū)域位于前海雙界河路段，北端接南坪二期快速路，南接聽海路，東臨地鐵樞紐范圍（未動工），西面空曠，距離雙界河南側(cè)邊界最近約80m。該區(qū)原始地貌為濱海灘涂，后來進(jìn)行了人工填海造地。2008 年開始地鐵大面積施工，雙界河路段區(qū)域土方挖、填量較大，標(biāo)高變化大且無規(guī)律，后經(jīng)多次無序填筑，地表以人工填土為主，現(xiàn)狀地面標(biāo)高在5.3～9.2m 之間，大部分區(qū)域較平整，11 號線范圍以上大部分存在臨時堆土包，標(biāo)高在8.9～9.2m 之間。雙界河路地下道路結(jié)構(gòu)距地鐵11 號線最小距離約3.25m。雙界河路與11 號線地鐵隧道的剖面位置關(guān)系如圖2 所示。有厚層的填土（石），再根據(jù)上述集水井分析結(jié)果，可以推斷，線路范圍K0+000～K2+570 段所測水位主要為上層滯水水位。由于受季節(jié)變化、降雨及海水水位變化的影響，地下水水位會有所變化。

4 計算范圍及內(nèi)容

4.1 計算范圍

3 巖土力學(xué)參數(shù)

2 工程概況

前海雙界河地下道路K0+650 ～K0+930 段主線及匝道在11 號線上方大角度斜交，且垂直距離較近。本項目施工過程中，由于基坑開挖的卸載作用，會導(dǎo)致既有地鐵隧道出現(xiàn)上浮，上浮嚴(yán)重時可能會超過隧道最大允許變形值，進(jìn)而影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和地鐵軌道

根據(jù)地勘報告，結(jié)合深圳地區(qū)經(jīng)驗，基坑支護(hù)設(shè)計有關(guān)力學(xué)等參數(shù)建議按照表1 選取。

勘察期間測得全線混合穩(wěn)定水位埋深為0.20～9.60m，混合穩(wěn)定水位高程為- 1.90～11.51m。線路范圍水位變化較大，且線路范圍內(nèi)大部分表層均分布

雙界河路地下道路結(jié)構(gòu)距地鐵11號線最小距離約3.25m，11 號線的基坑開挖深度達(dá)11.8m，開挖土方卸載量也最大，因此在相同施工法的情況下，以地鐵11 號線最容易受到雙界河路基坑施工的影響。本評估文件主要針對基坑開挖對既有下臥11 號線的影響進(jìn)行評估計算，因著重考慮12、13 號工作井對盾構(gòu)的影響，報告中選取2- 2 斷面進(jìn)行計算，從最不利的角度考慮，選取平面應(yīng)變的角度進(jìn)行模擬計算。

根據(jù)規(guī)范和工程經(jīng)驗，區(qū)間隧道的安全保護(hù)控制區(qū)范圍為結(jié)構(gòu)外側(cè)50m，明挖基坑的影響區(qū)為兩倍開挖深度，盾構(gòu)隧道的影響范圍為3～5 倍洞徑。因此，本次評估范圍寬度方向為基坑外側(cè)3 倍開挖深度，評估對象為地鐵11 號線隧道結(jié)構(gòu)。

4.2 計算內(nèi)容

圖1 雙界河地下道路與地鐵線路關(guān)系平面圖

圖2 雙界河路與地鐵11 號線結(jié)構(gòu)剖面圖

基坑支護(hù)設(shè)計有關(guān)力學(xué)等參數(shù)表 表1

建立二維計算模型，模擬雙界河基坑施工過程，計算該施工作業(yè)引起地鐵11 號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)和軌道的變形及位移；分析基坑施工作業(yè)對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響。

5 計算方法及原則

5.1 計算方法

本次評估主要采用數(shù)值計算法進(jìn)行數(shù)值模擬計算和分析預(yù)測；結(jié)合專家評議和工程類比法，對計算模型建立、地層參數(shù)取值、評估結(jié)果的合理性進(jìn)行比較和驗證。

數(shù)值模擬計算中，用于地下結(jié)構(gòu)理論計算的力學(xué)模型可歸納為兩種：

①連續(xù)介質(zhì)模型，即地層- 結(jié)構(gòu)模型；

②作用- 反作用模型，即荷載- 結(jié)構(gòu)模型。

這兩種力學(xué)模型各有特點，地層-結(jié)構(gòu)模型由于考慮地層與結(jié)構(gòu)的共同作用，多用于地層及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分析；荷載- 結(jié)構(gòu)模型只將結(jié)構(gòu)作為計算對象，多用于結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。考慮到基坑開挖施工造成土體擾動，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形與受力變化，該影響程度與地層關(guān)系密切，故本次采用地層- 結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。

本次數(shù)值模擬計算選用采用Midas/GTS NX 建立二維地層- 結(jié)構(gòu)模型，采用優(yōu)化的摩爾庫倫模型，模擬雙界河基坑施工步序，分析基坑施工對11 號線盾構(gòu)區(qū)間受力和變形的影響。

5.2 計算原則

5.3 計算假定

①假定區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為線彈性材料；

②假定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)之間符合變形協(xié)調(diào)原理；

③初始地應(yīng)力的計算只考慮初始自重應(yīng)力，未考慮構(gòu)造應(yīng)力，基坑開挖后土體應(yīng)力瞬間釋放；并且本評估分析的前提是施工處于正常良好控制的條件下。

6 基坑施工對地鐵盾構(gòu)區(qū)間影響分析

6.1 計算模型

6.1.1 網(wǎng)格劃分

圖3 計算模型土體網(wǎng)格劃分

圖4 模型約束示意圖

計算模型X 軸方向長82m，Y 軸方向長40m。土體采用2D 單元，采用摩爾- 庫倫模型；區(qū)間盾構(gòu)管片、抗拔樁、基坑支護(hù)、抗拔板采用梁單元模擬。對有限元模型進(jìn)行剖分，模型單元總計1604個。模型網(wǎng)格劃分如圖3。

6.1.2 邊界條件

在模型底部施加位移約束，模型四個側(cè)面分別施加垂直側(cè)面方向的水平位移約束，如圖4 所示。

這種“叛逆”的特質(zhì)首先體現(xiàn)在“我”對讀書的堅持上，這一點是與兄弟姊妹們的形象直接形成對比的。面對強(qiáng)硬而冷淡的父親，“我”并不退縮，反而出言頂撞：“你不是說，萬般皆下品，唯有讀書高嗎？”幼時對父親權(quán)威的“叛逆”，為“我”爭來了可貴的教育啟蒙，也讓“我”明白了堅定自我的必要性。事實上，“我”與賀玉的相識同樣源于“叛逆”之舉——如果沒有離家出走，“我”就不會在與賀玉相知相愛。

6.1.3 計算參數(shù)

計算模型中各土層計算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查報告選取，并對物理性質(zhì)參數(shù)相近的土層進(jìn)行合并；由于本次勘探深度小于計算模型高度，所以模型底部土層參數(shù)取自勘探范圍最下層土體參數(shù)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量均采用等效剛度法進(jìn)行換算。具體見表2、表3。

6.2 施工工法

為了減少設(shè)計放坡開挖卸載大量土方造成地鐵隧道上浮，地鐵11 號線可采用“豎井間隔開挖”方案，開挖到底后及時施工抗拔樁冠梁和抗浮板?？垢”Ｗo(hù)措施的主要施工工序如下：

計算用巖土層力學(xué)參數(shù)表 表2

計算用支護(hù)及加注漿加固力學(xué)參數(shù)表 表3

①分塊施工抗拔樁、地基加固注漿鋼管樁（樹根樁），抗拔樁沿地鐵隧道兩側(cè)設(shè)置，采用Φ1000@3000mm 鉆孔灌注樁，抗拔樁采用搓管機(jī)全護(hù)筒跟進(jìn)施工，注漿鋼管樁鉆孔孔徑為Φ130mm，孔內(nèi)放Φ80 鋼花管，最后注水泥漿；

②豎井間隔開挖施工抗浮板，地鐵11 號線左右線各設(shè)置7 個豎井，11 號線豎井尺寸為15.5×5.5m，5 號線豎井尺寸為14.5×5.5m，豎井采用間隔開挖，開挖到底后施工抗浮板和連梁；

③施工剩余抗浮板，地鐵11 號線豎井間隔全部施工完后，對豎井中間基坑沿地鐵隧道橫向放坡分臺階進(jìn)行開挖施工抗浮板。

地鐵11 號線左右線各分為7 個豎井，開挖按照先施工左線，再施工右線的施工順序，左右線開挖各分為3 個循環(huán)，左線豎井開挖順序為：第一循環(huán)11- 1、11- 5；第二循環(huán)11- 3、11- 7；第三循環(huán)11- 2、11- 4、11- 6。右線豎井開挖順序為：第一循環(huán)11- 8、11- 12；第二循環(huán)11- 10、11- 14；第三循環(huán)11- 9、11- 11、11- 13。豎井平面布置圖如圖5 所示。

圖6 地鐵11 號線豎井支護(hù)剖面圖

地鐵11 號線上部基坑豎井間隔開挖施工步 表4

圖5 地鐵11 號線豎井平面布置圖

11 號線豎井平面為矩形，豎井內(nèi)凈斷面15.5×5.5m，豎井深6.5～11.8m，因豎井較深中間設(shè)置兩道30cm 厚格柵網(wǎng)噴臨時支撐。豎井由鎖口圈、井身、井底三部分組成。豎井支護(hù)剖面圖如圖6所示。

6.3 計算工況

6.3.1 邊界條件

圖7 工后豎向和水平位移云圖（單位：m）

首先建立初始自重應(yīng)力場。在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載作用下，已經(jīng)固結(jié)沉降完畢，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基坑開挖，需要將已經(jīng)固結(jié)沉降完成的原狀土作為后續(xù)開挖步的初始狀態(tài)。因此，在利用Midas NX模擬基坑開挖過程時，若要達(dá)到天然土層的初始狀態(tài)，必須平衡初始的應(yīng)力，使得在土體模型中只存在初始應(yīng)力場而不出現(xiàn)初始位移。模型中第一階段為土體未開挖的初始階段，計算出土體在自重的作用下的位移場和應(yīng)力場，通過Midas NX 的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移，并構(gòu)造初始應(yīng)力場。

6.3.2 基坑開挖與支護(hù)過程模擬

地鐵11 號線上部基坑總體上通過7 步完成，其中每一步又由若干子步構(gòu)成。這7 個主要施工步的定義如表4 所示。

6.4 變形計算結(jié)果分析

基坑開挖至施工完成過程中，開挖將引起周邊土層受力狀態(tài)改變，地層出現(xiàn)變形，進(jìn)而引起臨近地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和位移，以及受力狀態(tài)發(fā)生改變。模擬計算綜合樓基坑施工作業(yè)過程，提取各開挖分區(qū)施工后區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)和道床的變形云圖（圖7）。

在基坑分區(qū)開挖施工過程中，由于基坑開挖卸載導(dǎo)致區(qū)間隧道臨近施工分區(qū)部位產(chǎn)生上浮。對于水平位移，隨著基坑開挖坑周土體向坑內(nèi)產(chǎn)生位移，區(qū)間隧道臨近施工分區(qū)部位產(chǎn)生水平位移最大。

在本工程基坑施工至回筑并完成上部結(jié)構(gòu)的過程中，隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮量為16.2mm；隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為5.8mm。

6.5 受力計算結(jié)果

工后受力云圖如圖8 所示。

根據(jù)基坑施工引起區(qū)間隧道位移分析，提取區(qū)間右線結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對其承載力和裂縫寬度進(jìn)行驗算，評價基坑施工過程及完成上部結(jié)構(gòu)后，隧道結(jié)構(gòu)是否安全。

統(tǒng)計各施工階段隧道結(jié)構(gòu)彎矩和軸力的最大值如表5 所示。

由上表可知，在基坑開挖及完成上部結(jié)構(gòu)整個過程中，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩最大值為+57.05 kN·m（每延米）和- 52.34 kN·m（每延米），軸力最大值為- 618.88 kN（每延米）。

根據(jù)以上彎矩計算結(jié)果，參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010- 2010）（2015 年版）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋及裂縫驗算。

區(qū)間盾構(gòu)管片環(huán)寬1.2m，管片厚300，保護(hù)層外側(cè)50mm，內(nèi)側(cè)40mm；采用C50 混凝土，采用8 根HRB335 直徑18 的鋼筋，重要性系數(shù)1.1。

各階段隧道結(jié)構(gòu)彎矩、軸力最大值統(tǒng)計 表5

圖9 地鐵區(qū)間管片斷面配筋圖

①配筋驗算

M=57.05×1.2=68.46kN·m；需配鋼 筋 AS=1082.37mm2， 實 配 鋼 筋2036mm。

②裂縫驗算

按照彎矩最大值核算裂縫寬度為Wmas=0.042mm，基坑施工開挖引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

7 結(jié)論

圖8 工后受力云圖（kN）

經(jīng)模擬基坑施工并完成上部結(jié)構(gòu)過程，計算分析盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力，并且對隧道結(jié)構(gòu)配筋和裂縫進(jìn)行驗算，結(jié)論如下：

隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮量為16mm；隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為5.8mm。

在基坑開挖至回筑完成上部結(jié)構(gòu)整個過程中，區(qū)間右線隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩最大值為+57.05 kN·m（每延米）和- 52.34 kN·m（每延米），軸力最大值為- 618.88 kN（每延米）；原設(shè)計的配筋面積滿足現(xiàn)工況條件，隧道結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度Wmas=0.042mm，滿足使用要求。

以上模擬計算在參數(shù)選取、工況簡化、土層劃分等方面與現(xiàn)場實際存在一定誤差，僅提供一定程度的參考。整個施工過程均應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范和設(shè)計要求進(jìn)行，加強(qiáng)監(jiān)控量測，認(rèn)真按技術(shù)規(guī)程操作，必須及時采取應(yīng)對性措施，保證既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的安全。