于旭東，呂媛媛，羅士瑾

（1.舟山市新城公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 舟山 316021；2.杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310024；3.舟山市鐵路建設(shè)中心，浙江 舟山 316021）

伴隨我國軌道交通的快速發(fā)展，城市地下工程建設(shè)規(guī)模越來越大，工程地質(zhì)條件與周邊環(huán)境也愈發(fā)復(fù)雜。由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，在城市軌道交通建設(shè)過程中必然會遇到工作井基坑開挖引起周邊既有鐵路沉降的問題，對于工程設(shè)計與施工技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)[1-6]。

目前，已有大量國內(nèi)外專家已深入研究工作井基坑開挖對鄰近隧道的影響。馮國輝等[7]通過有限元模擬與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合，驗(yàn)證了Kerr 地基模型的優(yōu)越性并獲得隧道縱向變形的解析解。韋宗科等[8]基于小應(yīng)變硬化模型，針對基坑寬度、隧道拱頂埋深等因素分析隧道隨基坑開挖的變形規(guī)律。唐汐[9]提出了一種預(yù)測基坑開挖對下臥隧道豎向變形的簡化算法，通過與Winkler、Vlasov 地基模型比較驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。陳仁朋等[10]針對基坑開挖旁側(cè)隧道結(jié)構(gòu)橫向內(nèi)力，提出一種考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向受力理論計算方法，并通過離心機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其理論的可靠性。

由于兩湖隧道斷面加寬難度大，三環(huán)線工作井的平面位置難以遠(yuǎn)離鐵路向南繼續(xù)移動，實(shí)際工程中將工作井北端墻內(nèi)壁設(shè)置于兩湖隧道銜接三環(huán)線地下互通匝道漸變加寬的起點(diǎn)處，為工程設(shè)計帶來一定的難度。故本文基于MIDAS 有限元軟件，建立三維精細(xì)化工作井－既有鐵路隧道－土體模型，針對基坑開挖引起的土體卸載對鄰近鐵軌的影響開展工作井施工過程數(shù)值分析。

1 工程概況

兩湖隧道涉鐵工程由盾構(gòu)段和明挖段組成，下穿武黃、南環(huán)和大花嶺疏解線等鐵路段為盾構(gòu)法隧道。三環(huán)線工作井位于武黃鐵路南側(cè)，作為盾構(gòu)的始發(fā)井，起止里程為K14+885～K14+930，基坑長×寬×高分別為45m×29.2m×37.5m。鐵路限界寬約47m，本路線與鐵路交角約61°，工作井靠近鐵軌側(cè)的土層依次為黏土夾碎土層、碎塊石夾土層和泥巖層。工作井開挖深度37.5m，與既有軌道距離最近約37m。工作井與既有鐵路平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 工作井與鐵路平面圖

工作井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2m 厚地連墻，底部落入基巖不小于1m，最深處地連墻長70m。由于地連墻落入基巖，施工期采用坑內(nèi)疏干降水?；臃?0 層開挖，共9 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐。

2 工作井有限元計算

2.1 模型建立

三環(huán)線工作井基坑設(shè)計深度37.5m，選用《國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計計算。計算斷面為近鐵軌側(cè)最長斜撐斷面。

土體采用3D 單元模擬，本構(gòu)模型采用修正摩爾－庫倫模型。圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻采用SHELL 單元模擬，截面厚度為1.2m；冠梁、內(nèi)支撐等采用BEAM 單元模擬，采用1m×1m 矩形截面。工作井各構(gòu)件均為采用C40 混凝土，本構(gòu)模型為線彈性本構(gòu)。模型網(wǎng)格劃分及基坑支撐體系如圖2 所示。模型邊界的約束為：對模型四周加法向位移約束，底部水平邊界施加無轉(zhuǎn)動約束。

圖2 有限元模型

2.2 材料參數(shù)

根據(jù) LH4X-ZK135 號與LH4X-ZK148 號鉆孔可得場地各地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，土層分層統(tǒng)計結(jié)果見表1 所示。

表1 工作井與巖土力學(xué)參數(shù)建議值

2.3 工作井施工過程模擬

由于MIDAS 軟件內(nèi)置的“激活”與“鈍化”及“改變屬性”等特殊功能，本文通過設(shè)置分步驟激活單元、鈍化單元及改變同一單元在不同分析步下材料屬性來模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工以及基坑開挖的過程。數(shù)值模擬分析中的施工過程嚴(yán)格遵照實(shí)際工程的開挖施工步驟進(jìn)行，具體施工步驟如下：①施作地連墻，激活地連墻板單元；②鈍化上層土體至內(nèi)支撐標(biāo)高以下0.5 米，施作冠梁及第一道混凝土支撐；③分步鈍化下層土體、激活對應(yīng)的圍檁及砼支撐，隨挖隨撐；④開挖至基坑底部，為最不利工況。

3 計算結(jié)果分析

3.1 既有路基整體位移分析

路基整體沉降云圖如圖3 所示，從圖中可以看出，工作井開挖到底后，路基整體變形最大出現(xiàn)在距離工作井最近處，豎向最大沉降為1.37mm，水平位移沉降為0.85mm，路基變形呈現(xiàn) “U”型分布。

圖3 既有軌道路基位移

3.2 工作井地連墻位移分析

提取工作井開挖至底部時地連墻位移云圖，觀察圖4 可知，當(dāng)工作井開挖至坑底后，地連墻最大水平位移為16.7mm，方向?yàn)樨?fù)，指向坑內(nèi)；與明挖基坑相連側(cè)最大位移62.7mm，方向?yàn)檎?，指向坑?nèi)。最大水平位移均發(fā)生在地連墻接近地表處，在實(shí)際施工中需要對該位置著重加固。

圖4 地連墻Y 向水平位移

3.3 既有軌道位移分析

提取工作井開挖至底部時，既有軌道位移云圖如圖5 所示。觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)，由于受三環(huán)線工作井基坑開挖卸載影響，當(dāng)工作井開挖到底后，距離基坑最近的牽出線軌道發(fā)生了最大位移，其中最大豎向位移為0.85mm，道岔處最大沉降0.15mm。既有軌道牽出線最大水平位移為0.53mm，道岔處最大水平位移為0.13mm。既有軌道變形規(guī)律呈從工作井最近處往兩側(cè)位移不斷減小的“U”型分布。

圖5 既有軌道位移

3.4 接觸網(wǎng)柱位移分析

提取工作井開挖至底部時接觸網(wǎng)柱位移云圖如圖6所示，受三環(huán)線工作井基坑開挖卸載影響，工作井開挖到底后，距離基坑最近的72#接觸網(wǎng)柱位移值最大，最大豎向位移為0.57mm，Y 向最大水平位移為0.39mm，沿線路方向最大水平位移為0.07mm。接觸網(wǎng)柱整體向工作井側(cè)發(fā)生傾斜。

圖6 接觸網(wǎng)柱位移

4 結(jié)論

根據(jù)上述有限元計算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）既有鐵路軌面沉降值最大值為0.852mm，道岔處最大沉降值為0.15mm，小于控制值5mm；

（2）工作井施工完成后，軌道的前后+高低差最大為0.752 mm，小于5mm 控制標(biāo)準(zhǔn)；接觸網(wǎng)立柱兩相鄰懸掛點(diǎn)等高相對差最大值0.39mm，小于控制值10mm；

（3）工作井開挖至坑底后，地連墻最大位移為16.7mm，滿足一級基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移30mm 的限值要求。