陳紅星，吳康寅，周 浩

[悉地（蘇州）勘察設(shè)計顧問有限公司，江蘇 蘇州215123]

1 概述

蘇州高鐵新城民四南路箱涵工程位于在運行軌道2 號線淺埋段，軌道結(jié)構(gòu)頂面至現(xiàn)狀地表覆土厚度約為3.0 m。箱涵跨越規(guī)劃河道，規(guī)劃河寬15 m，河道尚未開挖。

考慮到減少施工期間對軌道的影響，并結(jié)合河道同步施工，方案采用箱涵結(jié)構(gòu)。箱涵作為狹長型基坑，其開挖將會對下方既有蘇州軌道交通2 號線工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，其最本質(zhì)的原因是箱涵的開挖卸荷引起軌道周邊土體應(yīng)力狀態(tài)的重新分布，從而導(dǎo)致一系列力學(xué)行為的變化[1，2]。因此，研究制定合理的工程方案，分析箱涵施工對在軌道的影響對保證軌道的安全運行具有重要的意義。

2 工程方案

蘇州軌道交通2 號線高鐵蘇州北站—大灣站區(qū)間采用明挖暗埋的形式，暗埋段北起高鐵蘇州北站至隧道洞口DK0+830 為地下矩形隧道。本段區(qū)間主體結(jié)構(gòu)為單跨或雙跨一層箱型框架結(jié)構(gòu)，區(qū)間結(jié)構(gòu)外包寬度21.35～11.424 m，覆土厚度1.803～3.96 m。區(qū)間與車站接口由于處于道岔區(qū)未設(shè)置變形縫，結(jié)構(gòu)鋼筋均從車站預(yù)埋的鋼筋接駁器上接出；暗埋段與敞開段接口處設(shè)置變形縫。

考慮到減少施工期間對軌道的影響，并結(jié)合河道同步施工，工程方案采用箱涵結(jié)構(gòu)。涉軌范圍的箱涵由若干個3 m×3.4 m 預(yù)制小節(jié)段組成，箱涵節(jié)段采用預(yù)制后吊裝的方案，出了軌道范圍后，考慮到施工方便和周邊景觀需要，采用現(xiàn)澆的單孔箱涵，跨徑為凈9～14.4 m，見圖1。

圖1 箱涵節(jié)段橫斷面總體布置圖（單位：cm）

箱涵施工時采取以下措施：

（1）僅在夜間軌道停運期間進行施工。

（2）施工時采用分倉分格小節(jié)段施工，嚴格按照挖一段吊裝一段的步驟，避免開挖土方過多造成軌道暗埋段上浮，見圖2。

圖2 箱涵與軌道2 號線斷面關(guān)系圖（單位：cm）

（3）施工過程中，嚴格檢測軌道暗埋段結(jié)構(gòu)及軌道設(shè)施（行車軌道等）的變形量?，F(xiàn)場準(zhǔn)備充足的配重沙袋，若土方開挖后，軌道結(jié)構(gòu)變形超過相關(guān)要求，則立即停止開挖施工，向基坑內(nèi)堆載事先準(zhǔn)配好的沙袋配重，直至暗埋段結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定。

3 箱涵施工對軌道的影響分析

3.1 有限元模型建立

箱涵位于地鐵結(jié)構(gòu)上方，根據(jù)箱涵基坑幾何尺寸并結(jié)合基坑開挖施工對臨近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗，本模型計算深度取30 m；箱涵整體長約39 m，南北最寬約16.6 m，箱涵位于軌道2 號線上方偏西側(cè)，其中箱涵西端距地鐵右線邊緣約17.4 m，箱涵東端距地鐵邊緣約5.6 m。因地鐵軌道外包距離約16 m，為充分考慮箱涵整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化計算模型，提高計算效率，對垂直于地鐵隧道軸向方向的東西方向取為64 m，東側(cè)及西側(cè)參照按軌道中心線分別對稱取至距軌道邊緣24 m 處；南北方向箱涵尺寸小于東西方向，計算范圍以箱涵中心線為軸按南北對稱取為58 m。

模擬箱涵分節(jié)段施工，對土體、箱涵結(jié)構(gòu)、地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進行三維精細模擬，土體、地鐵結(jié)構(gòu)外墻、箱涵整體結(jié)構(gòu)均采用實體單元。本基坑開挖無支護結(jié)構(gòu)，采用放坡形式，根據(jù)現(xiàn)場施工最不利工況，放坡坡腳取為75°。根據(jù)計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元24680 個。建立的“地鐵- 土體- 箱涵”的三維計算模型見圖3、圖4。

圖3 地鐵- 土體- 箱涵有限元計算模型

圖4 箱涵有限元計算模型

3.2 材料本構(gòu)模型和計算參數(shù)

（1）土層本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)

地基各土層采用彈塑性D-P 模型, 各地質(zhì)土層的主要物理參數(shù)見表1（分為八個土層：1-1 回填土，1-2 淤 泥，1-3 素 填 土，2-1 淤 泥 質(zhì) 粉 質(zhì) 黏 土，3 黏土，4 粉質(zhì)黏土，5 粉土，6 粉質(zhì)黏土夾粉土，7 粉土，8粉質(zhì)黏土），見表1。

表1 地勘土體參數(shù)表

（2）混凝土本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用理想彈性模型，相關(guān)取值見表2。

表2 混凝土計算參數(shù)

3.2 施工過程

本項目箱涵由中部8 個預(yù)制節(jié)段及兩端部敞口段組成，隧道頂部箱涵分節(jié)段由西向東逐節(jié)吊裝，見圖5。箱涵施工完成后上部作用30 kPa 的車輛載荷。

圖5 箱涵施工順序示意

3.3 計算結(jié)果

由于箱涵結(jié)構(gòu)施工，基坑開挖卸載，其底部土體回彈，坑底變形隆起、周邊地表沉降，從而帶動下臥地鐵隧道區(qū)間發(fā)生變位，其變形量的大小是判別地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與否的重要依據(jù)。《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013）中規(guī)定軌道結(jié)構(gòu)安全控制值指標(biāo)為：結(jié)構(gòu)最大水平位移小于20 mm，隧道變形曲率半徑大于15000 m，相對曲率不大于1/25000[3]。

計算結(jié)果表明，由于箱涵結(jié)構(gòu)位于地鐵結(jié)構(gòu)上方，地鐵區(qū)間變形以豎向變形為主。施工完成后土體最大隆起量為12.47 mm，地鐵結(jié)構(gòu)豎向最大隆起量為2.1 mm；區(qū)間隧道變形曲率半徑最小為53378 m，相對變形曲率1/7207，見圖6、圖7。根據(jù)施工期間監(jiān)測結(jié)果，施工完成后土體累計隆起量為8.13 mm，地鐵結(jié)構(gòu)豎向最大隆起量為1.2 mm；區(qū)間隧道變形曲率半徑為82000 m，相對變形曲率1/5168，實測結(jié)果與計算結(jié)果較為接近，均滿足規(guī)范要求。

圖6 模型豎向位移

圖7 周家嘴項目全預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)圖

圖7 地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移

4 結(jié)語

受到開挖卸荷及回填加載影響，箱涵結(jié)構(gòu)開挖及回填引起地鐵區(qū)間隧道發(fā)生位移。本文就高鐵新城民四南路箱涵建立了“地鐵- 土體- 箱涵”的3D 模型，充分考慮了土與箱涵結(jié)構(gòu)、土與地鐵結(jié)構(gòu)的空間作用，計算了箱涵結(jié)構(gòu)分節(jié)段開挖、分序吊裝的地表變形及地鐵結(jié)構(gòu)的變位，得出結(jié)論如下：

（1）對箱涵結(jié)構(gòu)采取分節(jié)段施工，各節(jié)段開挖及回填量很少，對地鐵結(jié)構(gòu)的變形擾動影響較小。

（2）實測結(jié)果表明施工完成后土體最大隆起量為8.13 mm，地鐵結(jié)構(gòu)豎向最大隆起量為1.2 mm；區(qū)間隧道變形曲率半徑最小為82000 m，相對變形曲率1/5168，實測結(jié)果與計算結(jié)果較為接近，均滿足城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)控制值。

（3）本文通過建立三維有限元模型分析了蘇州高鐵新城民四南路箱涵結(jié)構(gòu)分段開挖、分序吊裝對地表變形及地鐵結(jié)構(gòu)的影響，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，以確保下臥地鐵結(jié)構(gòu)的安全運行，可為類似工程提供借鑒和參考。