上跨城轨段基坑开挖安全性模拟及施工控制

张江雄 尤伟军 肖 毅 赖仲栋 孙辉辉 方 圆

(中建三局第一建设工程有限责任公司 武汉 430040)

随着现代城市化进程加快，地铁和基坑工程规模不断增加。鉴于建设时序和空间原因，必然会存在后续基坑开挖对下方地铁隧道造成安全隐患的问题。评估基坑开挖对已有重要建筑的影响及围护结构安全是类似工程动工前的首要任务[1]。

目前，我国在近地铁基坑开挖技术方面，文献[2]研究了基坑隆起计算方法及影响深度，且用理论解析的方法推导了开挖卸荷条件下侧向土体对下卧盾构隧道的影响；文献[3]通过三维数值模拟分析，对基坑施工全过程进行动态模拟，分析结果为：基坑开挖、回筑过程中已建地铁车站、区间隧道的位移变形均能满足相关规范要求，验证了基坑开挖、加固方案的有效性；文献[4]从实测统计与数据分析的角度研究基坑开挖对下方盾构隧道的影响。目前对MJS工法门式加固在上跨段应用研究较少，且一般仅考虑隧道上浮量而对管片接缝缝隙关注较少。本文采用midas GTS软件从管片上浮、接缝张开量及围护结构变形等方面模拟计算MJS工法加固下基坑开挖对城轨隧道的影响，并提出相应的安全控制措施。

1 上跨城轨段施工方案

1.1 工程概况

十字门隧道北起珠海市南湾大道，沿会展四路向南敷设，过马骝洲水道后至横琴岛，沿荣粤路继续向南敷设至汇通二路交叉口，穿越水道采用盾构法施工，其他段为明挖法施工。

隧道在横琴区荣粤路与汇通五路十字交叉口处(YK0+342.8-YK0+380)与珠机城轨垂直正交，相交段长40 m，为明挖施工，开挖深度8.38～10.3 m，结构底距珠机城轨净距8.1～9.2 m，珠机城轨为盾构隧道，埋深10.8 m，管片外径8.5 m，内径7.7 m，隧道上跨城轨段立面图见图1。

图1 隧道上跨城轨段立面图(单位：m)

1.2 施工概况

隧道上跨城轨段施工整体思路为：先采用H形钢墙结合MJS门式基坑加固，接着进行冠梁和钢筋混凝土支撑体系施工，最后分一期、二期进行基坑开挖。其中，基坑四周桩顶设置800 mm×800 mm冠梁，一期基坑和二期基坑分界处桩顶设置900 mm×800 mm冠梁；坑内支撑为“1层钢筋混凝土撑+2层钢管撑”，首层为4道水平撑和四角各2道斜撑，钢筋混凝土撑尺寸为800 mm×800 mm，以下2层钢管撑采用直径×壁厚=609 mm×16 mm钢管，布置形式与首层混凝土撑一致，基坑加固平面图和剖面图见图2。

图2 基坑加固图(尺寸单位：mm)

2 数值模拟

2.1 数值模型建立

1) 土层参数及支护结构参数。依据该段地勘报告，本次分析的土层结构选取包含人工填土、淤泥、粗砂、淤泥质黏土、含粗砂粉质黏土、全风化花岗岩、全风化花岗岩、中风化花岗岩，其土层物理力学参数见表1。依据该段围护结构设计图，支护结构包含冠梁、混凝土撑、工字钢围檩、钢管撑和H形钢，支护结构参数及本构关系见表2。

表1 土层物理力学参数

表2 支护结构参数及本构关系

2) 三维模型的建立。几何模型计算区域的选取充分考虑了基坑开挖引起的边界效应，根据现有研究，基坑外水平向几何尺寸取基坑开挖深度的3～5倍以上，竖直向取2～4倍以上。因此，计算模型三维尺寸为150 m×150 m×70 m，MJS加固段整体模型见图3，基坑支护结构有限元模型见图4。

图3 MJS加固段整体模型 图4 基坑支护结构有限元模型

模型中土体、岩体采用三维实体单元，冠梁、围檩及钢筋混凝土支撑均采用梁单元模拟，H形桩墙、城轨隧道管片均采用板单元模拟。计算过程中荷载考虑各土层重力、施工机械荷载及支护结构重力，坑顶按设计图规定的区段超载不得大于20 kPa，约束有限元底部竖向位移、模型各侧面的法向位移，计算模型中各支护结构的变形、弯矩。

2.2 模拟工况设计

本次分析主要设置降水和不降水2种工况，工况一为降水施工工况，即基坑开挖前依次降水至开挖坑底下0.5 m处；工况二为不降水开挖工况，开挖分析施工步序见表3。

表3 开挖分析施工步序

3 数值模拟结果分析

分析基坑降水与不降水2组工况，探讨不同降水情况下，基坑开挖对既有珠机城轨隧道的结构影响，为了清楚表示其影响，将详细展示珠机隧道结构Y、Z方向的位移云图、弯矩云图。

3.1 对隧道位移影响分析

连续分析不同开挖步序下左、右线隧道在Y、Z方向的位移云图(以下为工况二对应位移云图，工况一与工况二的对应相似，故不予列出)、提取各施工步序下最大位移，基坑开挖隧道Y方向和Z方向位移变化见图5和图6。

图5 基坑开挖隧道Y方向位移变化

图6 基坑开挖隧道Z方向位移变化

由图5～6可知，珠机隧道结构Y、Z方向的位移变化受降水影响较大。对于工况一，右线隧道Y、Z方向最大位移分别为3.19 mm和8.08 mm，左线隧道Y、Z方向最大位移分别为3.97 mm和8.62 mm，分别对应一期及二期基坑开挖至坑底时；工况二为不降水开挖工况，Y、Z方向最大位移较降水工况均有增大，位移变化趋势与工况一一致。依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，各施工过程引起的城际隧道竖向和水平位移均应小于20 mm限值，故既有珠机左、右线隧道结构均处于安全状态。

3.2 对隧道弯矩影响分析

连续分析不同开挖步序下左、右线隧道在X、Y方向的弯矩云图(以下为工况二弯矩云图，工况一与工况二的弯矩变化趋势对应相似，故不予列出)，提取各施工步序下最大弯矩，基坑开挖隧道X方向弯矩和Y方向弯矩变化图分别见图7和图8。

图7 基坑开挖隧道X方向弯矩变化图

图8 基坑开挖隧道Y方向弯矩变化图

衬砌内径d为7.7 m、外径D为8.5 m，圆环截面抵抗矩：抗弯时W=π(D4-d4)/(32D)=19.69×109mm3，圆环截面积：S=π(D2-d2)/4=10.17×106mm2。由图7～图8可知，不降水开挖引起的弯矩较大，隧道X方向弯矩为45.32 kN·m，不会引起管片裂缝张开，Y方向最大弯矩为50.25 kN·m，按以下步骤进行管片接缝张开量验算。

式中：N为螺栓预应力引起的轴向力，按规范取280 kN；M为外荷载引起的弯矩，N·mm；S为衬砌截面面积，mm2；W为衬砌截面距，mm3；σc为混凝土管片局部拉应力，MPa。

管片在拉应力作用下变形量为Δl，E为钢筋混凝土弹性模量。

根据规范，盾构管片接缝张开量的控制值为3 mm，故管片接缝张开量满足规范要求。

3.3 对围护结构影响分析

为精确表示基坑开挖对围护结构的影响，提取两工况不同步序下H形桩墙在X、Y、Z方向最大位移(以下为工况二对应位移云图，工况一与工况二对应相似，故不予列出)，降水与不降水2种开挖工况下H形钢墙位移见图9。

图9 降水与不降水开挖工况下H形钢墙位移

由图9可知，基坑围护结构H形桩墙各方向的位移变化受降水条件的影响较大，两工况H形桩墙位移均在二期基坑开挖到坑底时达到最大值。在工况一条件下，H形桩墙X、Y、Z方向最大位移分别为3.96，8.37，7.00 mm；在工况二条件下，H形桩墙X、Y、Z方向最大位移分别为6.62，9.13，8.47 mm。根据规范[5]，各施工过程引起的一级基坑围护结构水平位移均应小于限值30 mm，故基坑围护结构H形桩墙处于安全状态。

4 结语

本文以珠海十字门隧道上跨城轨段基坑开挖为研究对象，采用midas GTS对基坑开挖过程进行三维数值模拟，主要得到以下结论。

1) 基坑采用MJS门式加固及分两期开挖可将隧道上浮量控制在规范值20 mm以下，方案有效可行。

2) 分两期开挖时，二期基坑开挖过程中一期基坑上浮量由1.68 mm增大至2.12 mm，后挖二期基坑对先挖一期基坑有上浮影响，影响增量为26%。

3) 地铁上浮量及基坑围护结构受降水影响较大，降水开挖可将地铁上浮量由9.83 mm降低至8.62 mm，降低幅度为14%。

4) 基坑开挖后及时施做底板可形成门式加固阻止隧道管片上浮，且对隧道有一定的回压作用，隧道上浮量由3.19 mm降低至1.58 mm，回压效果约为50%。

5) 基坑开挖前先进行基坑降水，沿隧道纵向设3排降水，降水至隧道腰部；基坑开挖过程中分块、分小仓开挖，控制卸荷量和卸荷速度。