王樹(shù)峰，趙浚程，龔 政，劉鑫章，周 越

（1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 十堰 442000；2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著城市發(fā)展水平的不斷提升，市政道路工程的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，市政道路與既有鐵路或公路之間相互縱橫交錯(cuò)的情況也越發(fā)常見(jiàn)，通常需要在交錯(cuò)位置采用下穿通道的建設(shè)方案以盡量減少對(duì)上方道路正常運(yùn)營(yíng)的干擾。淺埋下穿通道主要以明挖法為主［1，2］，其施工穩(wěn)定性尤為重要，不僅影響下穿結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量也關(guān)系到上部道路工程的使用壽命，一般采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值分析等方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估分析。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)方面，繆揚(yáng)揚(yáng)［3］通過(guò)監(jiān)測(cè)地表沉降、坡頂（樁頂）水平位移、支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力和水位等變化情況，全方位地確保某一道路口改造工程（下穿通道）的施工安全性。基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，丁錕［4］對(duì)某快速公路下穿通道的開(kāi)挖穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，通過(guò)適時(shí)調(diào)整支護(hù)措施以避免周圍地層產(chǎn)生過(guò)大位移。在數(shù)值分析方面，張龍等［5］開(kāi)展三維有限元分析研究了砂巖中下穿通道開(kāi)挖對(duì)上方高速公路的影響，得到了高速公路路面沉降與支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的演化規(guī)律，從而對(duì)該高速公路的安全性進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。張文奇［6］應(yīng)用有限差分軟件 FLAC 3D 研究了地下人行通道施工對(duì)鄰近管線的影響，該研究表明地下通道施工所致管線的沉降分布規(guī)律與 Peck 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值較為吻合，且管線的最大沉降值逼近規(guī)范所允許的最大控制值，并給出了相應(yīng)的加固控制建議?；诙S有限元分析，郭磊等［7］比較了不同開(kāi)挖工法（分別為臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD 法和 CRD 法）下穿地下通道施工對(duì)高鐵沉降的影響，發(fā)現(xiàn)采用 CRD 開(kāi)挖工法所致的地表沉降最小。王淑敏［8］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和三維有限元分析探究了軟土區(qū)下穿通道開(kāi)挖施工對(duì)高速鐵路鋼構(gòu)橋及路基的影響，發(fā)現(xiàn)高鐵橋梁及路基均產(chǎn)生了較為明顯的隆起效應(yīng)。

本文以十堰市林蔭大道 3 號(hào)線下穿東風(fēng)鐵路通道工程為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與三維有限元分析相結(jié)合的方式對(duì)雜填土-強(qiáng)風(fēng)化巖層中下穿通道的開(kāi)挖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，相關(guān)研究結(jié)果可為類似工程的實(shí)施提供參考依據(jù)。

1 工程概況

十堰市林蔭大道 3 號(hào)線下穿東風(fēng)鐵路通道工程位于林蔭大道 3 號(hào)線 K0+155（中心樁號(hào)）位置處，起點(diǎn)武當(dāng)路至東風(fēng)鐵路處兩側(cè)均有高層建筑及幼兒園等建筑物，環(huán)境較為復(fù)雜，其中東風(fēng)鐵路位于 K0+155 山坡坡頂處，與坡腳高差約為 20 m，其平面示意如圖 1 所示。

圖1 下穿通道平面示意圖

如圖 2 所示，下穿通道的主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆的施工方式。在箱涵結(jié)構(gòu)施工前，為確保土方開(kāi)挖的穩(wěn)定性，采用實(shí)心鋼筋混凝土方樁進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)樁與 D 便梁協(xié)同支撐上部鐵軌重量及列車行駛荷載。箱涵結(jié)構(gòu)與支護(hù)樁采用永臨結(jié)合設(shè)計(jì)方法，可避免箱涵結(jié)構(gòu)附近支護(hù)樁的拆除和 D 便梁及其它輔助構(gòu)件（如萬(wàn)能桿件）的拆換，實(shí)現(xiàn)箱涵結(jié)構(gòu)的整體式施工，極大地提高了施工效率及降低了經(jīng)濟(jì)成本。

圖2 地下通道中支護(hù)結(jié)構(gòu)和箱涵結(jié)構(gòu)示意圖

箱涵結(jié)構(gòu)與支護(hù)樁埋深范圍主要分布有雜填土和強(qiáng)風(fēng)化絹云石英片巖層。雜填土特征為雜色、松散、不均勻、高壓縮性，主要成分為開(kāi)山的碎巖塊、巖屑、巖粉及黏性土等，局部含塊石、建筑垃圾等，其工程分級(jí)為 Ⅲ 級(jí)硬土。強(qiáng)風(fēng)化絹云石英片巖層的特征為灰黃色至青灰色，具有變晶結(jié)構(gòu)和片狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、鈉長(zhǎng)石和絹云母，巖體組織結(jié)構(gòu)基本破壞，完整性差，巖體破碎，巖芯主要為針狀巖渣，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為 Ⅴ 級(jí)，局部夾中風(fēng)化薄層，其工程分級(jí)為Ⅳ 級(jí)軟石。

2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

林蔭大道 3 號(hào)線下穿東風(fēng)鐵路通道工程的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括支護(hù)樁-軌道系統(tǒng)及周邊地表的位移響應(yīng)，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布設(shè)要求如表 1 所示，測(cè)點(diǎn)布置如圖 3 所示。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布設(shè)要求

圖3 測(cè)點(diǎn)平面布置圖

3 有限元建模

采用有限元軟件 ABAQUS 對(duì)下穿通道的基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了精細(xì)化模擬分析。如圖 2 所示，地勘資料表明該施工區(qū)域土體分為兩層，從上至下依次為雜填土以及強(qiáng)風(fēng)化巖。以各層土的平均厚度確立有限元模型的豎向尺寸，如圖 4 所示。考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)、下穿通道基坑及土層均呈左右對(duì)稱布局，為提高計(jì)算效率，僅需建立土體-支護(hù)樁-上部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的半對(duì)稱三維有限元模型?；趧偠燃百|(zhì)量等效原則，采用上部結(jié)構(gòu)來(lái)模擬 D 便梁及列車軌道。初步數(shù)值分析表明，當(dāng)模型底部與樁底之間距離超過(guò) 4 倍樁徑及水平邊界（軌道軸向）長(zhǎng)度超過(guò) 40 倍樁徑時(shí)邊界效應(yīng)對(duì)分析結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，最終確立土體模型的尺寸為 60 m×21.6 m×26 m，如圖 4 所示。模型共采用 41 204 個(gè)六面體單元，支護(hù)樁與上部結(jié)構(gòu)之間采用綁定連接，土體與支護(hù)樁及上部結(jié)構(gòu)之間的作用效應(yīng)采用摩擦型接觸面來(lái)模擬，除頂面外，模型其余邊界均采用法向約束邊界條件。土體選用摩爾-庫(kù)倫（Mohr-Coulomb）彈塑性模型來(lái)模擬，支護(hù)樁及上部結(jié)構(gòu)采用線彈性模型?；诂F(xiàn)場(chǎng)勘察及設(shè)計(jì)資料，確立土體、支護(hù)樁及上部結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表 2 所示。

圖4 三維有限元模型

表2 材料參數(shù)表

實(shí)際工程中，支護(hù)樁為現(xiàn)澆鋼筋混凝土灌注樁，待樁身強(qiáng)度滿足要求時(shí)，采用 D 便梁對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行托架，之后進(jìn)行下穿通道的基坑開(kāi)挖施工。基坑采用分級(jí)放坡開(kāi)挖方式，開(kāi)挖范圍內(nèi)的土層皆為雜填土；第一級(jí)開(kāi)挖深度為 6 m，坡率為 1∶1，第二級(jí)開(kāi)挖深度為 7.3 m，坡率為 1∶1.5。對(duì)應(yīng)于實(shí)際的基坑施工工況，三維有限元分析中每一級(jí)的基坑開(kāi)挖包含若干個(gè)施工步。在每個(gè)施工步中，采用 Model Change 命令來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬的開(kāi)挖工況與實(shí)際工況一一對(duì)應(yīng)，基坑開(kāi)挖完成后的三維有限元模型如圖 5 所示。

圖5 開(kāi)挖完成后三維有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果與分析

按照以上施工工序進(jìn)行了基坑開(kāi)挖的模擬分析，獲得了開(kāi)挖過(guò)程中周邊地表、支護(hù)樁頂及上部結(jié)構(gòu)的位移變化數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

基于數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圖 6～8 依次給出了周邊地表、支護(hù)樁頂、上部結(jié)構(gòu)豎向位移的典型對(duì)比曲線圖。

圖6 基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

由圖 6 可知，相對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，施工完成后地表沉降計(jì)算值略小，在監(jiān)測(cè)點(diǎn) Z 6 和 Z 9 分別小約 7 % 和 15.6 %；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值分析結(jié)果均表明，相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn) Z 9，監(jiān)測(cè)點(diǎn) Z 6 處的地表沉降值相對(duì)較小，這主要是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn) Z 6 離支護(hù)樁的距離更近。由圖 7可知，一方面，越靠近基坑中心位置，支護(hù)樁的豎向位移越大，距離基坑中心最遠(yuǎn)的支護(hù)樁（監(jiān)測(cè)點(diǎn) L Z1）的豎向位移小于 0.5 mm，而基坑中心處支護(hù)樁（L Z6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)）的豎向位移最大值接近 2 mm；此外，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，基坑中心處支護(hù)樁（L Z6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)）豎向位移的計(jì)算值偏大 31 %；另一方面，如圖 8 所示，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，上部結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn) G 1 和 G 3 豎向位移的計(jì)算值分別偏小約 35.9 % 和 36.2 %，這主要是因?yàn)閷?shí)際施工過(guò)程中 D 便梁及列車軌道還會(huì)受到列車行駛荷載的影響，而本文數(shù)值分析中忽略了列車荷載效應(yīng)的影響。

圖7 基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)樁頂部豎向位移的實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

圖8 基坑開(kāi)挖過(guò)程中上部結(jié)構(gòu)（軌道）豎向位移的實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

此外，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，除了上述地表、支護(hù)結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)的豎向位移外，還有必要對(duì)坡頂水平位移進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。如圖 9 所示，邊坡坡頂?shù)乃轿灰齐S開(kāi)挖深度的增加而逐漸增大，正值表示變形朝向基坑一側(cè)發(fā)展。以邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn) D 5 為例，實(shí)測(cè)水平位移最大值為 3.6 mm，數(shù)值解最大值為 4.3 mm，數(shù)值解高估坡頂水平位移約 19.4 %。

圖9 基坑開(kāi)挖過(guò)程中坡頂水平位移的實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

綜上所述可知，數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所獲的位移數(shù)據(jù)在變化趨勢(shì)及最終數(shù)值上均基本吻合?？傮w而言，在周邊地表沉降、支護(hù)樁豎向位移等方面數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的吻合度相對(duì)更高，除了周邊地表及上部結(jié)構(gòu)豎向位移外，數(shù)值計(jì)算最大值均在一定范圍內(nèi)略大于對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果分析表明，下穿通道開(kāi)挖過(guò)程中基坑周邊地表、支護(hù)樁及上部結(jié)構(gòu)位移變形較小，施工穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

本文以十堰市林蔭大道 3 號(hào)線下穿東風(fēng)鐵路通道工程為背景，采用有限元軟件 ABAQUS 建立三維數(shù)值模型，開(kāi)展下穿通道基坑開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模擬分析，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以檢驗(yàn)該下穿通道的開(kāi)挖穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論。

1）通過(guò)對(duì)比不同位置處位移響應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值分析數(shù)據(jù)可知，三維有限元分析能較好地重現(xiàn)下穿通道基坑開(kāi)挖的施工過(guò)程；由于數(shù)值分析中忽略了軌道上方列車荷載的作用效應(yīng)，上部結(jié)構(gòu)豎向位移的計(jì)算值相對(duì)偏小。

2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果表明，支護(hù)樁及列車軌道的沉降主要發(fā)生在基坑開(kāi)挖區(qū)域；支護(hù)樁及列車軌道的豎向變形及差異沉降均很小，不影響列車的正常通行。

3）數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明，下穿通道基坑開(kāi)挖所致的周邊地表、支護(hù)樁及列車軌道的位移變化均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，表明基坑的開(kāi)挖穩(wěn)定性可控，且其開(kāi)挖方案、支護(hù)體系的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案均較為合理有效。Q