胡盛亮 黃筱淇 李達宏

（南昌市城市規(guī)劃設計研究總院集團有限公司，江西 南昌 330038）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，地下空間的利用率也越來越高［1］，基坑開挖和盾構隧道施工成為城市建設中不可避免的工程［2-3］。然而，基坑開挖和盾構隧道施工所引起的地面沉降、地下水位變化、振動等問題［4-5］，給周邊環(huán)境和既有建筑帶來極大的影響，尤其是對下方既有盾構隧道的穩(wěn)定性和安全性會造成一定程度的威脅［6-8］。因此，深入研究基坑開挖卸載對下方既有盾構隧道的影響及其機理，對于保障盾構隧道的安全施工和運營具有重要意義［9-10］。

在三維條件下，基坑開挖卸載對下方既有盾構隧道的影響涉及地面沉降、土體變形、地下水位變化、隧道結構應力等問題。這些問題相互影響，形成一個復雜的動態(tài)過程。本項目以南昌市地鐵盾構隧道附近的基坑開挖工程為研究對象，通過現(xiàn)場實測和數值模擬相結合的方式，分析基坑開挖卸載對下方既有盾構隧道的影響機理和規(guī)律，并對實測數據和數值模擬結果進行對比和分析。研究成果對優(yōu)化基坑開挖卸載施工方案、減少對下方盾構隧道的影響、提高盾構隧道的穩(wěn)定性和安全性具有一定的理論意義和實際應用價值。

1 工程及相關地質條件概況

1.1 工程概況

該項目為青山路溢流閘門改造工程（以下簡稱青山路頂管工程）。該區(qū)域青山北路現(xiàn)狀方涵為雨、污合流方涵，未經限流直接排至青山湖西渠截污涵，導致雨季后期青山北路箱涵里的雨、污合流水與青山湖西渠截污涵內的污水混合。一方面稀釋了青山湖西渠截污涵內污水的濃度，導致青山湖污水處理廠進水濃度降低；另一方面增大了青山湖西渠暗涵溢流污水的濃度。為解決上述問題，要對現(xiàn)有青山路溢流閘門井進行改造。青山路頂管工程位置如圖1所示。

圖1 青山路頂管工程位置

該工程為2019—2020 年南昌市城區(qū)城鎮(zhèn)污水全收集全處理達標整治工程第一批（青山湖區(qū)一期、東湖區(qū)）項目（一標段）-青山路溢流閘門改造工程。為解決青山北路現(xiàn)狀方涵合流問題，要對現(xiàn)有青山路溢流閘門進行改造。一方面，改造青山北路現(xiàn)狀方涵與青山湖西渠截污涵連接處的閘門井，隔斷兩者之間連通；另一方面，在青山北路溢流閘門井南側新建一根d1000 截污管，連接青山北路現(xiàn)狀方涵與青山湖西渠截污涵，該d1000 截污管須穿青山北路。

由于青山北路近期進行改造，改造工程目前已基本實施完畢。若采用明挖方式敷設管道，對該區(qū)域交通影響極大，且青山北路交通量大，地下管線復雜。綜合各方面因素考慮，擬采用頂管方式施工穿越青山北路。

經過調查與現(xiàn)場勘探，該處地下管線眾多，情況復雜。道路西側綠化帶（斗門路-安山路段，下同）下敷設有1 根DN400 燃氣中壓管（埋深為1.70 m），西側車行道下敷設有1 根DN50 路燈電線管（埋深為0.29 m）、3 根斷面為400×300 及1 根斷面為1 000×1 500 弱電管（埋深分別為0.92 m、0.92 m、0.92 m、3.15 m）、1 根斷面為3 200×2 000 合流箱涵（埋深為4.50～6.50 m）、1 根斷面為1 200×500 及1 根斷面為1 000×1 500 強電管（埋深分別為2.14 m、3.15 m）；道路東側車行道下有1根斷面為1 200×500及1根斷面為1 100×400強電管（埋深分別為1.75 m、1.35 m）、1 根斷面為1 200×500 及1 根斷面為1 100×400 弱電管（埋深分別為1.75 m、1.35 m）、1 根管徑為DN600 自來水管（埋深為1.21 m）、1 根管徑為d1500 雨水管（埋深為2.60～2.80 m）、1 根管徑為DN400 燃氣中壓管（埋深為1.11 m）、1 根管徑為DN800 合流管（埋深為3.23 m），東側綠化帶下有1根DN508 燃氣中壓管（埋深為1.34 m）及1 根斷面為3 200×2 200 截污箱涵（埋深為7.45～7.88 m，箱涵底距地鐵頂外壁凈距為5.0～5.5 m）。根據相關資料，青山北路下現(xiàn)有南昌地鐵4 號線，與設計頂管交匯處的地鐵隧道頂標高約為6.59 m。

設計的F 形頂進用鋼筋混凝土管管道外徑為1 200 mm、管道內徑為1 000 mm、管壁厚為100 mm，設計管內底標高為13.476～13.507 m。設計的d1000 截污管管外壁距離地鐵頂外壁凈距約為6.89 m。采取泥水平衡法頂管施工，該處設頂管工作井、頂管接收井各1 座，頂管工作井內尺寸為7.0 m×4.5 m，頂管接收井內尺寸為4.5 m×4.5 m，距離地鐵線路平面凈距均不小于4.5 m。頂管平面設計及頂管縱斷面設計如圖2、圖3 所示。

圖2 青山路頂管工程與4號線七里站-民園路西站區(qū)間平面位置關系

圖3 青山路頂管工程與4號線七里站-民園路西站區(qū)間剖面位置關系

1.2 工程地質條件概況

1.2.1 工程地質概況。據鉆探揭露結果，勘探深度內主要由第四系人工填土層（Qml）、第四系全新統(tǒng)靜水沉積層（Q4l）、第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）、第三系新余群（Exn）組成。按其巖性及工程特性，自上而下依次劃分為①-1 雜填土、①-2 素填土、②-1 淤泥、③-1 粉質黏土、③-2 細砂、③-3粗砂、③-4礫砂、③-5粉質黏土及④泥質粉質巖。

1.2.1.1 第四系人工填土層（Qml）。①-1雜填土：雜色-灰褐色，主要成分以黏性土為主，次為中粗砂、磚塊、瓦片等建筑垃圾，局部含生活垃圾，堆填時間為大于5 a，土、石等級為Ⅰ級，土、石類別為松土，揭露層厚為0.90～8.40 m，平均厚度為3.29 m。①-2素填土：灰褐色-灰黃色，主要成分以黏性土、中細砂粒為主，堆填時間為大于5 a，土、石等級為Ⅰ級，土、石類別為松土。

1.2.1.2 第四系全新統(tǒng)靜水沉積層（Q4l）。②-1 淤泥：灰黑色，流塑狀，主要成分以粉黏粒為主，次為腐殖質，刀切面光滑，韌性及干強度中等，無搖振反應，稍有光澤反應，平均含水量W=42.8%，揭露層厚為0.80～2.50 m。

1.2.1.3 第四系上更統(tǒng)沖積層（Q3al）。③-1粉質黏土：灰褐色-黃褐色，硬塑狀為主，局部可塑，主要成分以粉、黏粒為主，刀切面光滑，無搖振反應，韌性及干強度中等，實測標準貫入試驗錘擊數為11～14擊，壓縮系數平均值為0.35 MPa-1，中壓縮性，壓縮模量平均值為5.27 MPa，土、石等級為Ⅱ級，土、石類別為普通土，稠度Bm=0.781，干濕類型為中濕型路基。該層在工程沿線均有揭露，揭露層厚為1.80～9.30 m，平均厚度為5.34 m。③-2細砂：黃色、淺黃色，干-稍濕-飽和，主要成分為石英、長石、云母等，局部含少量泥質，實測標準貫入試驗錘擊數為9～12 擊，松散-稍密。土、石等級為Ⅰ級，土、石類別為松土，該層在工程沿線均有揭露，揭露厚度為0.60～7.50 m。③-3 粗砂：淺黃色-灰白色，稍濕-飽和，主要成分為石英、長石、云母等，實測標準貫入試驗錘擊數為16～18擊，中密，強透水性。揭露厚度為3.20～9.90 m。③-4礫砂：淺黃色、灰白色，飽和，修正后重型圓錐動力觸探擊數為12擊，中密。強透水性。礦物成分主要為石英、硅質巖。土、石等級為Ⅱ級，土、石類別為普通土，該層在擬建工程沿線均有揭露，揭露層厚為1.90～12.40 m（局部未揭穿），層頂埋深8.00～21.30 m。③-5 粉質黏土：灰褐色，軟塑狀為主，局部可塑，主要成分以粉、黏粒為主，刀切面光滑，無搖振反應，韌性及干強度中等，實測標準貫入試驗錘擊數為3～4 擊，壓縮系數平均值為0.50 MPa-1，中壓縮性，壓縮模量平均值為3.97 MPa，土、石等級為Ⅰ級，土、石類別為松土，稠度Bm=0.227，干濕類型為過濕型路基。揭露層厚為1.10～5.10 m，平均厚度為2.00 m。

1.2.1.4 第三系新余群（Exn）。④泥質粉砂巖：紫紅色，泥質膠結，中厚層狀構造，塊狀結構，巖石質軟，遇水易軟化，失水干裂，屬軟質巖石，根據巖石的風化程度及現(xiàn)場揭露厚度，泥巖可劃分為④-1 強風化泥質粉砂巖、④-2 中風化泥質粉砂巖及④-3 鈣質泥巖等3 個亞層。對其工程地質特征分述如下。④-1 強風化泥質粉砂巖，紫紅色，泥質膠結，巖石風化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育強烈，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，土石等級為Ⅲ級，土石類別為硬土，揭露厚度為0.60～2.00 m。④-2 中風化泥質粉砂巖，紫紅色，泥質膠結，中厚層狀構造，巖石風化中等，見少許垂直裂隙，少數Fe、Mn 質渲染。錘擊聲啞、無回彈、有凹痕、易擊碎，多呈柱狀，少數為短柱狀，巖體完整程度分類為“較破碎-較完整”，巖石飽和單軸極限抗壓強度標準值為4.5 MPa，屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級，揭露厚度為5.10～12.50 m。④-3 鈣質泥巖，青灰色，塊狀結構，鈣質膠結，中厚層狀構造，巖石風化中等，以透鏡體的形式賦存于泥質粉砂巖層中，巖芯較破碎，呈短柱狀、柱狀、薄餅狀，該層有溶孔發(fā)育，孔徑一般為1～3 cm，最大孔徑為5 cm，由于局部溶蝕、溶孔的原因，鈣質泥巖的強度變異程度高，變異系數大，巖石飽和抗壓強度最大值為33.1 MPa，最小值為1.1 MPa，巖石飽和抗壓強度標準值為2.2 MPa，巖體完整程度分類為“破碎-較破碎”，屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級，鉆孔揭露厚度為1.30～3.50 m。

1.2.2 場地水文地質條件。

①上層滯水。上層滯水主要賦存于表層人工填土層中，該層主要接受大氣降水的入滲補給，向場地低洼地段蒸發(fā)或向低洼處排泄，由于填土及成分及密實度的差異，因此上層滯水的連通性較差，且無連續(xù)的水位面，一般水量較小。該層地下水的水位埋深及水量大小受季節(jié)性變化影響大，在強降雨或持續(xù)降雨期間，由于填土的不均勻性，局部有可能上升至地面，勘察期間測得初見水位埋深為0.80～3.10 m。

②第四系松散巖類孔隙水。主要賦存于下部砂礫石層中，③-1 粉質黏土為含水層的隔水頂板，本場地孔隙水屬潛水（局部微承壓），水位隨季節(jié)變化，勘察期間初見水位埋深為7.50～14.60 m，穩(wěn)定水位埋深為6.60～14.20 m，主要接受大氣降水的滲流補給及贛江地表水、撫河的側向補給，根據南昌市經驗，含水層滲透系數為120 m/d，根據觀（監(jiān)）測資料，水位年變幅為1～3 m。

1.2.3 不良地質作用及地下障礙物。管道原始地貌為贛撫沖積平原，屬Ⅱ級堆積階地，場地內未發(fā)現(xiàn)全新世以來的活動性斷裂，勘察深度范圍內未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流等對工程不利的不良地質現(xiàn)象。

2 擬建項目實施下方既有盾構隧道影響與實測分析

2.1 計算軟件及材料本構模型

2.1.1 計算軟件。采用巖土、隧道結構專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 進行計算。該軟件是針對巖土隧道領域結構分析所需功能開發(fā)的，與其他大型通用有限元軟件相比，除了具有強大的前后處理及求解功能外，還能很方便地進行回填、開挖及施加支護結構等巖土及隧道工程施工階段分析。

MIDAS/GTS 對施工階段的分析采用的是累加模型，每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結果，并累加本施工階段的分析結果，即上一個施工階段中結構體系與荷載的變化會影響到后續(xù)階段的分析結果。

研究施工過程中各結構構件的荷載效應，以便指導設計，土體材料本構模型使用修正的莫爾-庫倫（Modified Mohr-Coulomb）彈塑性模型。結構材料按線彈性模型考慮。

2.1.2 材料本構模型。各結構的線彈性本構關系的輸入參數為彈性模量E和泊松比μ。土體修正的莫爾-庫倫（Modified Mohr-Coulomb）本構是在莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構基礎上改善而來的本構模型，適用于各種類型的地基，特別適用于像沙土或混凝土那樣具有摩擦特性的地基。

修正的莫爾-庫倫本構用于模擬具有冪率關系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型，如圖4 所示。修正的莫爾-庫倫本構的剪切屈服面與莫爾-庫倫本構的屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構。另外，修正的莫爾-庫倫本構的剪切屈服面與壓縮屈服面是相互獨立的，在剪切方向和壓縮方向采用了雙硬化模型（Double Hardening）。

圖4 修正莫爾-庫倫本構模型p-q平面

莫爾-庫倫本構的偏平面形狀為六邊形，在計算頂點的塑應變方向時要采用特別的數值計算方法，如圖5 所示。修正的莫爾-庫倫本構為了消除分析過程中的不穩(wěn)定因素，偏平面采用圓角處理，使計算的收斂性更好。修正的莫爾-庫倫本構在pq平面上采用相關流動法則，在偏平面上采用了非關聯(lián)流動法則（Non-associated Flow Rule）。另外，圖4 中使用了?p值，移動剪切屈服面可反映莫爾-庫倫本構的黏聚力效果。

圖5 修正莫爾-庫倫本構模型偏平面

2.2 基坑開挖數值模擬的實現(xiàn)

根據該工程青山路頂管與鄰近地鐵結構立體關系及頂管結構設計施工特點，對施工全過程進行模擬。在MIDAS 有限元模型中，構建三維實體單元模擬地層，采用板單元來模擬拉森鋼板樁、始發(fā)井沉井、接收井結構、地鐵區(qū)間，采用一維梁單元來模擬鋼支撐等結構。計算模型范圍以外輪廓為基準，外擴一定距離后而建立。有限元模型的邊界條件為模型側面邊界固定水平位移，底部邊界固定豎向位移，上部邊界為地表自由面，如圖6 所示。為保證計算結果精度及盡量減小有限元模型規(guī)模，在模型建立過程中進行簡化處理，結果如圖7所示。

圖6 計算模型（模型尺寸80 m×80 m×30 m）

圖7 相對關系軸側圖

2.2.1 計算參數。土層材料屬性、結構材料屬性及結構特性見表1、表2、表3。

表1 土層材料屬性

表2 結構材料屬性

表3 結構特性

2.2.2 計算工況。根據建設單位提供的圖紙資料，對施工全過程進行模擬，并進行建模及網格剖分。工況1為初始土體地應力形成，位移清零；工況2為地鐵區(qū)間隧道施工，位移清零；工況3為開始發(fā)井沉井施工；工況4為接收井基坑開挖施工及結構回筑；工況5為頂管施工。不同工況下模型及網格剖分如圖8所示。

圖8 工況

2.3 結果分析

整體X、Y、Z方向位移云圖如圖9所示。

圖9 工況3和工況4方向位移云圖

工況3 和工況4 區(qū)間的結構位移云圖如圖10所示。

圖10 工況3-4結構位移云圖

工況5整體方向計算云圖如圖11所示。

圖11 工況5整體位移云圖

工況5區(qū)間結構位移計算云圖如圖12所示。

圖12 工況5結構位移云圖

對青山路頂管計算結果進行匯總分析，結果見表4。

表4 地鐵結構附加位移計算結果

由計算結果可知，頂管施工期間引起的區(qū)間隧道結構最大豎向位移為0.33 mm，最大水平位移為0.25 mm，滿足地鐵區(qū)間隧道結構安全要求。

3 結語

通過對青山路頂管施工對七民區(qū)間影響進行數值分析后可知，由頂管施工期間引起的區(qū)間隧道結構最大豎向和水平位移均滿足地鐵區(qū)間隧道結構安全要求。