黃筱淇 胡盛亮 李達(dá)宏

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

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，公共交通和市政建設(shè)如火如荼［1］。然而，在城市建設(shè)和改造過程中，常常面臨著施工區(qū)域鄰近地鐵隧道、地鐵車站等情況［2-4］。在施工過程中，基坑工程開挖施工會引起土體變形，鄰近結(jié)構(gòu)所受土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，常常面臨失穩(wěn)破壞等問題［5］。因此，針對施工過程中基坑開挖過程中地表位移、豎向位移、鄰近結(jié)構(gòu)土體變形開展研究非常重要［6-8］。

但在實際工程中，基坑開挖卸載對下方既有盾構(gòu)隧道的影響是一個復(fù)雜問題［9-10］。由于諸多限制因素，許多基坑開挖卸載對下方既有盾構(gòu)隧道的研究大都采用了二維條件下的模擬。因此，本研究選取某城市地鐵隧道、地鐵車站附近的基坑開挖工程為研究對象，通過現(xiàn)場實測土體參數(shù)和室內(nèi)原位土剪切試驗及固結(jié)試驗，獲得土體的基本情況。同時，結(jié)合Midas 數(shù)值模擬軟件，分析基坑開挖卸載對下方既有盾構(gòu)隧道的影響機(jī)理和規(guī)律，并對實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比和分析。

1 工程概況

1.1 分析對象與南昌市軌道4 號線車站以及其他區(qū)間的位置關(guān)系

1.1.1 新建江紡路雨污水管道與民火區(qū)間位置關(guān)系。本工程為江紡路雨污水管道與南昌市軌道4 號線民園路西站至火炬站盾構(gòu)區(qū)間（以下簡稱“民火區(qū)間“），包括平行段和相交段。平行段為江紡路箱涵橋以東約200 m 范圍內(nèi)，北側(cè)污水管外壁與地鐵隧道外壁最小平面距離為0.81 m，其他管道也有相應(yīng)距離。相交段共有3 處，分別為1#、2#、3#相交處，位置關(guān)系見表1。

表1 江紡路雨污水管涵與民火區(qū)間具體位置關(guān)系

1.1.2 新建民園路雨水箱涵與民火區(qū)間位置關(guān)系。新建民園路雨水箱涵布置在道路南、北側(cè)非機(jī)動車道下，與地鐵4 號線隧道共有2 處相交，位置關(guān)系見表2。

表2 民園路雨水箱涵與地鐵盾構(gòu)區(qū)間具體位置關(guān)系

1.1.3 新建民園路雨水箱涵與火炬站之間關(guān)系?；鹁嬲局黧w位于現(xiàn)狀民園路下，車站主體結(jié)構(gòu)外底標(biāo)高為-0.418 m，外頂標(biāo)高為15.082 m。本次新建雨水箱涵外壁距離火炬站主體結(jié)構(gòu)外壁最小為11.45 m，距離火炬站2 號出入口結(jié)構(gòu)外壁最小為9.97 m，本段箱涵內(nèi)底標(biāo)高為14.72～14.80 m。民園路（科技大道～高新大道）段新建雨水箱涵均采用鋼板樁支護(hù)開挖。

1.2 工程地質(zhì)概況

工程建設(shè)場地土層按其巖性及工程特性，自上而下依次劃分為①-1 雜填土、②-1 淤泥、③-1 粉質(zhì)黏土、③-2 細(xì)砂、③-3 中砂、③-4 粗砂、③-5 礫砂及⑤泥質(zhì)粉質(zhì)巖。通過對土層進(jìn)行原位取樣，開展室內(nèi)剪切試驗、固結(jié)試驗、滲透試驗等，測得各層位原位土室內(nèi)試驗結(jié)果及土體物理力學(xué)參數(shù)見表3。

2 基坑開挖對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬

2.1 計算軟件

本研究采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件Midas∕GTS NX。施工階段分析采用的是累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結(jié)果，并累加了本施工階段的分析結(jié)果，即上一個施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

為了研究施工過程中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng)，以便指導(dǎo)設(shè)計，本次分析土體材料本構(gòu)模型取用修正的莫爾-庫倫（Modified Mohr-Coulomb）彈塑性模型，結(jié)構(gòu)材料按線彈性模型考慮。

土體修正的莫爾-庫倫本構(gòu)是在莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構(gòu)基礎(chǔ)上改善的本構(gòu)模型，適用于各種類型的地基，特別適用于有摩擦特性的材料。修正的莫爾-庫倫本構(gòu)用于模擬具有冪率關(guān)系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型。如圖1 所示，修正的莫爾-庫倫本構(gòu)的剪切屈服面與莫爾-庫倫本構(gòu)的屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構(gòu)。另外，修正的莫爾-庫倫本構(gòu)的剪切屈服面與壓縮屈服面分別獨立，在剪切方向和壓縮方向采用了雙硬化模型（Double Hardening）。

圖1 修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型p-q平面

莫爾-庫倫本構(gòu)的偏平面形狀為六邊形，在計算頂點的塑應(yīng)變方向時需要采用特別的數(shù)值計算方法。但是，如圖2 所示，修正的莫爾-庫倫本構(gòu)為了消除分析過程中的不穩(wěn)定因素，偏平面采用了圓角處理，使計算的收斂性更好。修正的莫爾-庫倫本構(gòu)模型在p-q平面上采用了相關(guān)流動法則，在偏平面上采用了非關(guān)聯(lián)流動法則。另外，如圖2 所示，使用Δp值，移動剪切屈服面可以反映莫爾—庫倫本構(gòu)的黏聚力效果。

圖2 修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型偏平面

2.3 模型參數(shù)的確定

土層材料及結(jié)構(gòu)材料屬性見表4、表5。

表4 土層材料屬性

表5 結(jié)構(gòu)材料屬性

2.4 邊界條件

該工程雨污水管涵采用明挖法施工，基坑范圍內(nèi)采用分層開挖，計算模型范圍以外輪廓為基準(zhǔn)、外擴(kuò)一定距離后而建立。有限元模型邊界條件為模型側(cè)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。

2.5 計算工況及研究思路

有限元模型中，采用二維平面應(yīng)變單元模擬地層，采用一維梁單元模擬管片等結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)和鋼板樁構(gòu)件采用線彈性模型，結(jié)構(gòu)特性見表6。

現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，盡管水平參差不齊，各有千秋，但是至少初心都是好的，都是想為工業(yè)轉(zhuǎn)型升級貢獻(xiàn)力量，順便爭取一點研發(fā)經(jīng)費。

表6 結(jié)構(gòu)特性

根據(jù)該工程雨污水管與鄰近地鐵結(jié)構(gòu)立體關(guān)系及施工特點，對該項目的施工全過程進(jìn)行模擬，施工工序見表7。

表7 施工工序

3 明挖基坑對地鐵盾構(gòu)區(qū)間和車站的影響分析

3.1 江紡路雨污水管涵施工對民火區(qū)間的影響分析

3.1.1 數(shù)值模擬。江紡路新建雨、污水管道和箱涵采用共溝放坡開挖，分析的計算模型包括了基坑開挖、卸載、鄰近區(qū)間隧道等，概化的模型及網(wǎng)格剖分如圖3 所示。雨、污水管放坡開挖的步驟模型示意如圖4所示。

圖3 計算模型示意（模型尺寸77 m×30 m）

圖4 鄰近地鐵區(qū)間雨污水管施工數(shù)值模擬過程

3.1.2 計算結(jié)果。雨水箱涵明挖施工整體位移計算結(jié)果如圖5 所示。結(jié)果表明，雨水箱涵施工開挖時右側(cè)水平位移最大，且隨著開挖深度越深水平位移越?。回Q向位移最大值并未發(fā)生在基坑底部，而是在上方一定位置處，管涵開挖結(jié)束時水平最大位移為5.05 mm，豎向最大位移為20.03 mm。

圖5 管道明挖施工整體位移云圖（單位：m）

該工程雨污水管道施工鄰近地鐵隧道，考慮管涵開挖過程中對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在影響，模擬探討了施工對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的變形影響，其結(jié)果如圖6所示。由圖6 可知，位于管涵施工左側(cè)的地鐵隧道受到的影響最大，其最大水平位移發(fā)生在其左側(cè)，其位移為2.11 mm。最小水平位移發(fā)生在其右側(cè)，其位移為0.33 mm。最大豎向位移發(fā)生在其右上方，其位移為3.40 mm。由計算結(jié)果可知，民火區(qū)間最大水平位移約為2.11 mm，最大豎向位移約為3.40 mm，根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》［11］，地鐵區(qū)間施工位移控制在10 mm內(nèi)，滿足區(qū)間隧道對變形保護(hù)的要求。

圖6 管道明挖施工過程隧道位移云圖

3.2 民園路雨水箱涵施工對民火區(qū)間的影響分析

3.2.1 數(shù)值模擬。新建雨水箱涵亦采用放坡開挖。模型尺寸和概化的模型及網(wǎng)格剖分如圖7 所示。其各個步驟模型如圖8所示。

圖7 計算模型（模型尺寸67 m×30 m）

圖8 鄰近地鐵區(qū)間箱涵施工數(shù)值模擬過程

3.2.2 計算結(jié)果。雨水箱涵明挖施工整體位移計算結(jié)果如圖9 所示。結(jié)果表明，雨水箱涵施工開挖時右側(cè)水平位移最大，且隨著開挖深度越深水平位移越??；豎向位移最大值并未發(fā)生在基坑底部，而是在上方一定位置處，管涵開挖結(jié)束時水平最大位移為6.45 mm，豎向最大位移為23.83 mm。

圖9 雨水箱涵明挖施工整體位移云圖（單位：m）

圖10 箱涵明挖施工過程隧道位移云圖（單位：m）

3.3 民園路雨水箱涵施工對火炬站的影響分析

3.3.1 數(shù)值模擬。民園路新建雨水箱涵采用鋼板樁支護(hù)開挖，計算模型包括了基坑開挖、卸載、鋼板樁、鄰近地鐵車站結(jié)構(gòu)等，概化的模型及網(wǎng)格剖分如圖11所示。其各個步驟模型如圖12所示。

圖11 概化的模型及網(wǎng)格剖分（模型尺寸70 m×30 m）

圖12 鄰近地鐵車站箱涵施工數(shù)值模擬過程

3.3.2 計算結(jié)果。雨水箱涵明挖施工整體位移計算結(jié)果如圖13 所示。結(jié)果表明，雨水箱涵施工開挖時左側(cè)水平位移最大，且隨著開挖深度越深水平位移越小；豎向位移最大值發(fā)生在基坑底部，管涵開挖結(jié)束時水平最大位移為17.41 mm，豎向最大位移為11.05 mm。

圖13 雨水箱涵明挖施工整體位移云圖

根據(jù)調(diào)研得知，雨水箱涵施工鄰近地鐵車站，考慮管涵開挖過程中對車站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在影響，模擬了施工對車站結(jié)構(gòu)的變形影響，其結(jié)果如圖14 所示。由圖14 可知，其最大水平位移為0.10 mm，最大豎向位移為0.34 mm，滿足地鐵車站對變形保護(hù)的要求。

圖14 雨水箱涵明挖施工過程車站位移云圖

4 結(jié)論

結(jié)合南昌市雨污水處理箱涵施工基坑開挖對鄰近結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析，可得出以下結(jié)論。

①經(jīng)計算分析，箱涵開挖過程中，不可避免引起坑底及周邊土體位移變形，進(jìn)而影響周邊結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性。

②經(jīng)分析三個不同項目箱涵開挖對地鐵盾構(gòu)區(qū)間和車站位移變形影響可知，三者中最大水平位移為2.4 mm，豎向最大位移為8.8 mm，均滿足地鐵車站對變形保護(hù)的要求。

③箱涵橋鄰近地鐵車站及區(qū)間上方三軸攪拌樁加固施工前，應(yīng)對施工范圍內(nèi)地表進(jìn)行加固整平，并充分考慮施工機(jī)械荷載。加固過程中應(yīng)注意控制注漿壓力等措施，盡量減小施工對地鐵設(shè)施的擾動。箱涵橋基坑開挖應(yīng)分塊、分層、跳倉開挖。

④施工期間，須遵循先監(jiān)測后施工的原則，委托有資質(zhì)和軌道交通運營監(jiān)測業(yè)績的第三方監(jiān)測單位對地鐵車站進(jìn)行變形監(jiān)測。

⑤施工期間，除對地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測外，需要增加對既有管道、截污箱涵等的監(jiān)測，確保施工和地鐵結(jié)構(gòu)運營安全。