杂填土－强风化岩地层中下穿铁路通道工程的开挖稳定性分析

王树峰，赵浚程，龚 政，刘鑫章，周 越

（1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 十堰 442000；2.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

随着城市发展水平的不断提升，市政道路工程的建设规模日益扩大，市政道路与既有铁路或公路之间相互纵横交错的情况也越发常见，通常需要在交错位置采用下穿通道的建设方案以尽量减少对上方道路正常运营的干扰。浅埋下穿通道主要以明挖法为主［1，2］，其施工稳定性尤为重要，不仅影响下穿结构的施工质量也关系到上部道路工程的使用寿命，一般采用现场监控量测和数值分析等方法来对其进行评估分析。在现场监控量测方面，缪扬扬［3］通过监测地表沉降、坡顶（桩顶）水平位移、支撑结构内力和水位等变化情况，全方位地确保某一道路口改造工程（下穿通道）的施工安全性。基于现场监测数据，丁锟［4］对某快速公路下穿通道的开挖稳定性进行实时分析，通过适时调整支护措施以避免周围地层产生过大位移。在数值分析方面，张龙等［5］开展三维有限元分析研究了砂岩中下穿通道开挖对上方高速公路的影响，得到了高速公路路面沉降与支护结构内力的演化规律，从而对该高速公路的安全性进行了系统评价。张文奇［6］应用有限差分软件 FLAC 3D 研究了地下人行通道施工对邻近管线的影响，该研究表明地下通道施工所致管线的沉降分布规律与 Peck 经验公式预测值较为吻合，且管线的最大沉降值逼近规范所允许的最大控制值，并给出了相应的加固控制建议。基于二维有限元分析，郭磊等［7］比较了不同开挖工法（分别为台阶法、双侧壁导坑法、CD 法和 CRD 法）下穿地下通道施工对高铁沉降的影响，发现采用 CRD 开挖工法所致的地表沉降最小。王淑敏［8］结合现场监控量测和三维有限元分析探究了软土区下穿通道开挖施工对高速铁路钢构桥及路基的影响，发现高铁桥梁及路基均产生了较为明显的隆起效应。

本文以十堰市林荫大道 3 号线下穿东风铁路通道工程为研究对象，采用现场监测与三维有限元分析相结合的方式对杂填土-强风化岩层中下穿通道的开挖稳定性进行分析，相关研究结果可为类似工程的实施提供参考依据。

1 工程概况

十堰市林荫大道 3 号线下穿东风铁路通道工程位于林荫大道 3 号线 K0+155（中心桩号）位置处，起点武当路至东风铁路处两侧均有高层建筑及幼儿园等建筑物，环境较为复杂，其中东风铁路位于 K0+155 山坡坡顶处，与坡脚高差约为 20 m，其平面示意如图 1 所示。

图1 下穿通道平面示意图

如图 2 所示，下穿通道的主体结构为钢筋混凝土箱涵结构，采用现浇的施工方式。在箱涵结构施工前，为确保土方开挖的稳定性，采用实心钢筋混凝土方桩进行支护，支护桩与 D 便梁协同支撑上部铁轨重量及列车行驶荷载。箱涵结构与支护桩采用永临结合设计方法，可避免箱涵结构附近支护桩的拆除和 D 便梁及其它辅助构件（如万能杆件）的拆换，实现箱涵结构的整体式施工，极大地提高了施工效率及降低了经济成本。

图2 地下通道中支护结构和箱涵结构示意图

箱涵结构与支护桩埋深范围主要分布有杂填土和强风化绢云石英片岩层。杂填土特征为杂色、松散、不均匀、高压缩性，主要成分为开山的碎岩块、岩屑、岩粉及黏性土等，局部含块石、建筑垃圾等，其工程分级为 Ⅲ 级硬土。强风化绢云石英片岩层的特征为灰黄色至青灰色，具有变晶结构和片状构造，主要矿物成分为石英、钠长石和绢云母，岩体组织结构基本破坏，完整性差，岩体破碎，岩芯主要为针状岩渣，属极软岩，岩体基本质量等级为 Ⅴ 级，局部夹中风化薄层，其工程分级为Ⅳ 级软石。

2 监测项目及测点布置

林荫大道 3 号线下穿东风铁路通道工程的监测内容包括支护桩-轨道系统及周边地表的位移响应，具体监测项目及布设要求如表 1 所示，测点布置如图 3 所示。

表1 监测项目及布设要求

图3 测点平面布置图

3 有限元建模

采用有限元软件 ABAQUS 对下穿通道的基坑开挖过程进行了精细化模拟分析。如图 2 所示，地勘资料表明该施工区域土体分为两层，从上至下依次为杂填土以及强风化岩。以各层土的平均厚度确立有限元模型的竖向尺寸，如图 4 所示。考虑到支护结构、下穿通道基坑及土层均呈左右对称布局，为提高计算效率，仅需建立土体-支护桩-上部结构系统的半对称三维有限元模型。基于刚度及质量等效原则，采用上部结构来模拟 D 便梁及列车轨道。初步数值分析表明，当模型底部与桩底之间距离超过 4 倍桩径及水平边界（轨道轴向）长度超过 40 倍桩径时边界效应对分析结果的影响可忽略不计，最终确立土体模型的尺寸为 60 m×21.6 m×26 m，如图 4 所示。模型共采用 41 204 个六面体单元，支护桩与上部结构之间采用绑定连接，土体与支护桩及上部结构之间的作用效应采用摩擦型接触面来模拟，除顶面外，模型其余边界均采用法向约束边界条件。土体选用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）弹塑性模型来模拟，支护桩及上部结构采用线弹性模型。基于现场勘察及设计资料，确立土体、支护桩及上部结构的材料参数如表 2 所示。

图4 三维有限元模型

表2 材料参数表

实际工程中，支护桩为现浇钢筋混凝土灌注桩，待桩身强度满足要求时，采用 D 便梁对轨道结构进行托架，之后进行下穿通道的基坑开挖施工。基坑采用分级放坡开挖方式，开挖范围内的土层皆为杂填土；第一级开挖深度为 6 m，坡率为 1∶1，第二级开挖深度为 7.3 m，坡率为 1∶1.5。对应于实际的基坑施工工况，三维有限元分析中每一级的基坑开挖包含若干个施工步。在每个施工步中，采用 Model Change 命令来实现模拟的开挖工况与实际工况一一对应，基坑开挖完成后的三维有限元模型如图 5 所示。

图5 开挖完成后三维有限元模型

4 计算结果与分析

按照以上施工工序进行了基坑开挖的模拟分析，获得了开挖过程中周边地表、支护桩顶及上部结构的位移变化数据，并与现场实测数据进行对比分析。

基于数值分析和现场实测数据，图 6～8 依次给出了周边地表、支护桩顶、上部结构竖向位移的典型对比曲线图。

图6 基坑开挖过程中地表沉降的实测与计算结果对比图

由图 6 可知，相对于实测数据，施工完成后地表沉降计算值略小，在监测点 Z 6 和 Z 9 分别小约 7 % 和 15.6 %；现场实测和数值分析结果均表明，相对于监测点 Z 9，监测点 Z 6 处的地表沉降值相对较小，这主要是由于监测点 Z 6 离支护桩的距离更近。由图 7可知，一方面，越靠近基坑中心位置，支护桩的竖向位移越大，距离基坑中心最远的支护桩（监测点 L Z1）的竖向位移小于 0.5 mm，而基坑中心处支护桩（L Z6 监测点）的竖向位移最大值接近 2 mm；此外，相对于现场实测结果，基坑中心处支护桩（L Z6 监测点）竖向位移的计算值偏大 31 %；另一方面，如图 8 所示，与实测数据相比，上部结构监测点 G 1 和 G 3 竖向位移的计算值分别偏小约 35.9 % 和 36.2 %，这主要是因为实际施工过程中 D 便梁及列车轨道还会受到列车行驶荷载的影响，而本文数值分析中忽略了列车荷载效应的影响。

图7 基坑开挖过程中支护桩顶部竖向位移的实测与计算结果对比图

图8 基坑开挖过程中上部结构（轨道）竖向位移的实测与计算结果对比图

此外，在基坑开挖过程中，除了上述地表、支护结构、上部结构的竖向位移外，还有必要对坡顶水平位移进行定期监测。如图 9 所示，边坡坡顶的水平位移随开挖深度的增加而逐渐增大，正值表示变形朝向基坑一侧发展。以边坡监测点 D 5 为例，实测水平位移最大值为 3.6 mm，数值解最大值为 4.3 mm，数值解高估坡顶水平位移约 19.4 %。

图9 基坑开挖过程中坡顶水平位移的实测与计算结果对比图

综上所述可知，数值分析与现场实测所获的位移数据在变化趋势及最终数值上均基本吻合。总体而言，在周边地表沉降、支护桩竖向位移等方面数值模拟结果与现场实测值的吻合度相对更高，除了周边地表及上部结构竖向位移外，数值计算最大值均在一定范围内略大于对应的实测值。现场监测与数值模拟结果分析表明，下穿通道开挖过程中基坑周边地表、支护桩及上部结构位移变形较小，施工稳定性较好。

5 结论

本文以十堰市林荫大道 3 号线下穿东风铁路通道工程为背景，采用有限元软件 ABAQUS 建立三维数值模型，开展下穿通道基坑开挖过程的数值模拟分析，并将模拟结果与现场实测数据进行对比分析，以检验该下穿通道的开挖稳定性，得到以下结论。

1）通过对比不同位置处位移响应的现场实测和数值分析数据可知，三维有限元分析能较好地重现下穿通道基坑开挖的施工过程；由于数值分析中忽略了轨道上方列车荷载的作用效应，上部结构竖向位移的计算值相对偏小。

2）现场监测数据与模拟结果表明，支护桩及列车轨道的沉降主要发生在基坑开挖区域；支护桩及列车轨道的竖向变形及差异沉降均很小，不影响列车的正常通行。

3）数值分析及现场实测数据均表明，下穿通道基坑开挖所致的周边地表、支护桩及列车轨道的位移变化均在规范允许范围之内，表明基坑的开挖稳定性可控，且其开挖方案、支护体系的设计及现场监测方案均较为合理有效。Q