區(qū)穗輝，喬升訪，方恩權(quán)，周萬歡

（1、廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州 510010；2、廣州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 廣州 510420；3、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510335；4、澳門大學(xué) 澳門 999078）

0 引言

城市更新過程中，各種市政工程的施工，會(huì)對鄰近周邊土體結(jié)構(gòu)造成一定程度上的擾動(dòng)，而這些市政工程在地鐵隧道保護(hù)范圍內(nèi)的情況下，將有可能造成既有地鐵隧道的變形［1-2］。雖然說鄰近地鐵盾構(gòu)隧道變形已趨于穩(wěn)定，但是由于地鐵盾構(gòu)隧道是由預(yù)制管片拼成的，屬于柔性結(jié)構(gòu)，受周圍土體影響較為敏感［3］。根據(jù)2015年12月3日修訂實(shí)施的《廣州市城市軌道交通管理?xiàng)l例》，地鐵沿線設(shè)立地鐵保護(hù)區(qū)，包括了地下車站和隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)50 m；地面和高架車站以及線路軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)30 m；出入口、通風(fēng)亭、車輛段、變電站，集中供冷站等地鐵建筑物結(jié)構(gòu)外側(cè)10 m等范圍。地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)的建造拆卸、地面堆載、工程勘察、開挖水道、地下管線作業(yè)、開挖基坑等建設(shè)工程在報(bào)建階段，需滿足保護(hù)要求后才可實(shí)施。

為提前預(yù)測地鐵保護(hù)范圍內(nèi)綜合管廊基坑及頂管開挖對鄰近既有地鐵隧道的影響，使用數(shù)值模擬的手段，模擬某綜合管廊工程基坑支護(hù)、開挖、頂管施工等工況下對鄰近既有地鐵隧道的影響，在受復(fù)雜外力的情況下獲取其準(zhǔn)確的力學(xué)信息，同時(shí)反映出上述工況對地鐵隧道的影響。

1 工程概況

1.1 工程概況

某項(xiàng)目綜合管廊總長約1.17 km，主體結(jié)構(gòu)斷面尺寸為6.70 m×4.25 m，沿道路中央綠化帶下方布置，管廊采用明挖法施工，須上跨正在運(yùn)營的地鐵線路，管廊與地鐵左右線交角均約為70°。其中，管廊基坑G13斷面采用放坡開挖的形式，G9、G10斷面采用支護(hù)樁+混凝土支撐的支護(hù)體系。根據(jù)地鐵保護(hù)要求，在受影響的地鐵區(qū)間上方及兩側(cè)各10 m 范圍內(nèi)不能采用有振動(dòng)擠土效應(yīng)的鋼板樁支護(hù)，因此這部分較深的基坑采用鉆孔灌注樁支護(hù)。

其中，G9、G10 斷面鉆孔灌注樁樁徑0.8 m，樁間距1.0 m，設(shè)一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，支撐斷面尺寸為600 mm×800 mm，樁間采用φ600 mm 高壓旋噴樁止水。G9、G10 斷面支護(hù)樁與隧道左右線頂面距離分別為11.7 m和11.2 m。

污水管為新建污水管道，管徑為DN1 000，采用Ⅲ級鋼筋混凝土管F 接口，管道埋深為9.24～9.44 m，采用頂管施工工藝，與地鐵左右線交角均約為75°。

綜合管廊基坑、污水頂管隧道與既有地鐵隧道的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 綜合管廊基坑、污水頂管隧道與既有地鐵隧道的位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Positional Relationship between the Comprehensive Pipe Gallery Foundation Pit and the Existing Subway Tunnel

1.2 文地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探揭露，該路段從上往下包括第四系（Q）覆蓋層的人工填土（Qml）層、坡殘積層（Qdl+el）的砂質(zhì)性粘土、基巖（γ52）的全風(fēng)化巖層。其中人工填土層（Qml）層厚0.50～10.20 m，平均厚度3.01 m；坡殘積層（Qdl+el）厚度8.90～36.00 m，平均20.73 m；全風(fēng)化花崗巖頂面埋深15.00～37.00 m，平均25.47 m，揭露層厚4.60～17.00 m，平均9.85 m；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖頂面埋深29.00～46.00 m，平均38.59 m，揭露層厚3.00～11.50 m，平均6.57 m。

擬建道路區(qū)內(nèi)所經(jīng)過的河涌主要為丘陵地帶沖溝，受季節(jié)性控制明顯，汛期流量大，枯水期流量小，具有山區(qū)河流受降雨控制暴漲暴落特點(diǎn)。本區(qū)分布少量魚塘，丘陵地段沖溝發(fā)育，流程較短，水量少，受季節(jié)性控制明顯，地表水體稍發(fā)育。

2 模型建立

在既有鄰近地鐵隧道附近進(jìn)行包括基坑支護(hù)樁施工、基坑開挖、頂管施工等，土方卸載是影響地鐵隧道安全的主要因素［4］。當(dāng)開挖隧道上方土體時(shí)，將產(chǎn)生地基土的卸載，易引起隧道向上隆起，產(chǎn)生豎向位移。

選取斷面進(jìn)行基坑及頂管隧道模型建立的參考，包括放坡部分（G13）以及鉆孔灌注樁部分（G9∕G10）斷面，頂管隧道施工斷面（見圖2）。

圖2 管廊基坑與污水頂管各參考斷面Fig.2 Reference Cross-sections of the Pipe Gallery Foundation Pit and Sewage Pipe Jacking（mm）

本文使用Midas GTS-NX 有限元軟件建立三維模型，模擬基坑支護(hù)樁施工、基坑開挖、頂管施工等施工工況對地鐵結(jié)構(gòu)的不利影響，重點(diǎn)分析工程施工期間對地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的影響情況。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，土體的本構(gòu)模型采用修正摩爾庫倫模型，各土層參數(shù)如表1 所示，水位情況按照地面以下5.0 m考慮。

表1 地基土的工程特性指標(biāo)建議值Tab.1 Suggested Value of Engineering Characteristic Index of Foundation Soil

有限元模型建立單元共95 872 個(gè)，節(jié)點(diǎn)15 599 個(gè)，整體模型外觀以及管廊基坑、污水頂管與既有地鐵隧道的關(guān)系如圖3所示。

圖3 整體模型及管廊基坑支護(hù)、污水管與既有地鐵隧道單元Fig.3 The Overall Appearance of the Model，Pipe Corridor Foundation Pit Support，Sewage Pipe and Existing Subway Tunnel Unit

3 施工過程構(gòu)建與隧道變形分析

根據(jù)實(shí)際的施工情況，按照地鐵隧道變形最不利情況考慮［5］，把施工過程動(dòng)態(tài)工況模擬如下：［工況1］初始應(yīng)力狀態(tài)；［工況2］既有地鐵隧道的現(xiàn)狀；［工況3］管廊基坑支護(hù)施工；［工況4］管廊基坑開挖，由于基坑深度較小，采取一次完成所有斷面開挖卸荷；［工況5］污水頂管隧道施工（見圖4）。

圖4 管廊基坑支護(hù)與基坑開挖Fig.4 Pipeline Gallery Foundation Pit Support and Foundation Pit Excavation

本模型主要分析管廊基坑及污水頂管施工對隧道的水平位移、豎向位移的影響，本文列舉了既有地鐵隧道的現(xiàn)狀、管廊基坑支護(hù)施工、管廊基坑開挖、污水頂管隧道施工時(shí)最大水平位移、豎向位移圖，其中水平位移以水平方向地鐵隧道變形遠(yuǎn)離管廊基坑為正，豎向位移以豎直方向地鐵隧道變形向上為正。

⑴管廊基坑開挖時(shí)地鐵隧道最大水平位移、豎向位移如圖5所示；

圖5 管廊基坑開挖時(shí)地鐵隧道最大水平位移、豎向位移Fig.5 The Maximum Horizontal Displacement and Vertical Displacement of the Subway Tunnel during the Excavation of the Pipe Gallery Foundation Pit

⑵ 污水頂管隧道施工時(shí)地鐵隧道最大水平位移、豎向位移如圖6所示。

圖6 污水頂管隧道施工時(shí)地鐵隧道最大水平位移、豎向位移Fig.6 Maximum Horizontal Displacement and Vertical Displacement of Subway Tunnel during Construction of Sewage Pipe Jacking Tunnel

不同施工工況下地鐵隧道最大位移統(tǒng)計(jì)如表2所示?？芍鲜龈鞴r條件下，地鐵隧道最大水平位移出現(xiàn)在左線，最大豎向位移出現(xiàn)在右線。既有地鐵隧道現(xiàn)狀的最大水平位移變形值為1.96 mm，最大豎向位移變形值為10.84 mm；管廊基坑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐施工時(shí)，最大水平位移變形值為1.96 mm，最大豎向位移變形值為10.84 mm；管廊基坑開挖時(shí)，最大水平位移變形值為2.21 mm，最大豎向位移變形值為13.69 mm；污水頂管隧道施工時(shí)，最大水平位移變形值為2.21 mm，最大豎向位移變形值為13.76 mm。

表2 不同施工工況下地鐵隧道最大位移統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Maximum Displacement of Metro Tunnel under Different Construction Conditions

計(jì)算結(jié)果分析，管廊基坑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐施工以及污水頂管施工對土體擾動(dòng)情況較少，因此這幾個(gè)工況下隧道管片變形值可以忽略不計(jì)，其變形主要在管廊基坑開挖階段呈現(xiàn)增大的情況，位移以隆起為主。由于管廊基坑開挖土體相當(dāng)于隧道上方土體卸荷的過程［6］，土體結(jié)構(gòu)受力變化較大，周圍土體會(huì)產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致地鐵隧道周圍土體會(huì)有向管廊基坑開挖處移動(dòng)的趨勢，但隧道變形最大增量為2.85 mm。

4 結(jié)語

本文根據(jù)地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)資料，結(jié)合擬建某工程整治工程設(shè)計(jì)、施工資料，通過數(shù)值模擬的手段分析了管廊基坑與污水頂管施工對既有地鐵隧道的影響，得到了各工況下隧道結(jié)構(gòu)的變形情況。主要結(jié)論如下：

⑴綜合以上模擬分析結(jié)果判斷可得，變形主要在管廊基坑開挖階段，對既有地鐵隧道形成一定影響，但隧道變形值較小，按照隧道保護(hù)規(guī)范，管廊基坑與污水頂管施工對既有隧道影響情況可控。

⑵由于支護(hù)樁在既有隧道正上方，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制支護(hù)樁、止水樁樁位、垂直度、樁長和樁底標(biāo)高。而污水頂管施工應(yīng)嚴(yán)格控制軸線及高程，特別是對過地鐵段加密監(jiān)測。

⑶數(shù)值模擬手段在保護(hù)既有地鐵線路中能夠起到指引預(yù)判的作用，巖土層計(jì)算參數(shù)取值的合理性影響模擬預(yù)判結(jié)果，因此數(shù)值模擬的巖土參數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確合理［7］。