综合管廊基坑上跨地铁隧道结构施工影响分析

张卫华 张玮鹏

(广州大学建筑设计研究院有限公司)

0 引言

基坑工程施工过程中，基坑支护结构的施工、基坑土方的开挖、周边施工荷载的施加等动态活动因素必然会对场地现状应力应变状态产生一定程度的扰动，尤其当现状场地内存在地铁隧道等重要建构筑物时，需采用相关技术手段定性定量分析基坑工程施工对已有地铁结构的影响，确保基坑工程施工不会影响地铁结构的正常运营。

本文以某邻近地铁隧道结构的综合管廊基坑工程为背景，采用Midas GTS-NX 三维有限元软件对综合管廊基坑开挖进行动态施工模拟分析，定性定量分析综合管廊基坑开挖施工对地铁隧道的影响，并得到一些初步结论。

1 工程概况

1.1 工程介绍

该综合管廊项目里程K1+080～K1+480 段采用明挖基坑支护法施工，基坑开挖深度约为9m，基坑宽度约为40m，基坑支护方案为：Φ600@450 水泥搅拌桩格栅式加固坡面土体及基坑底土体（进入基坑底不少于3m）+Φ850@600 三轴水泥搅拌桩止水帷幕+1:1.0 坡率放坡+挂网喷砼+坡面植筋。基坑底位于粉质黏土层和砂质黏性土层中。

综合管廊基坑与地铁隧道在平面位置上为斜交上跨关系，明挖基坑底距离地铁隧道顶距离大于6m，已建地铁隧道为6m 直径的标准盾构区间隧道，隧道顶位于砂质粘性土层中，隧道底位于全/强风化花岗岩层中。综合管廊基坑与地铁隧道的平剖面示意图见图1～图3。

图1 管廊基坑与地铁隧道平面关系图

图2 管廊基坑与地铁隧道纵断面关系图

图3 管廊基坑与地铁隧道横断面关系图

1.2 工程地质及水文地质情况

本项目场区地貌为丘陵台地区，属山前冲洪积平原与剥蚀残丘相间地貌，地表水系发育，场地岩土层自上而下划分为：填土、粉质黏土、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。本场地地层的岩土工程特性和岩土设计参数建议值见表1。

表1 场地岩土工程特性和岩土设计参数建议值

2 三维有限元数值模拟分析

根据项目场地勘察资料、综合管廊基坑支护设计图纸及相邻地铁隧道的施工图纸等提资，本次选取基坑支护结构、隧道外衬边线外5 倍基坑深度范围作为模型边界，最终确定分析模型的大小（长×宽×高）为480m×200m×50m。虑岩土体为半无限体，模型以外不再考虑变形，即设定为固定边界。模型顶面考虑20kN/m2地面活动荷载。建立的整体三维有限元模型如图4、图5 所示。

图4 三维有限元分析模型（一）

图5 三维有限元分析模型（二）

根据相关提资结合实际施工工况建立三维整体有限元模型，关键工况如下：

工况一：K1+080 ～K1+480 段施工水泥搅拌桩；K1+480 合景路交叉口处基坑施工灌注桩、旋喷桩；K1+080～K1+200 段管廊主体基坑依次分层开挖土体至基坑底。

工况二：K1+200～K1+320 段管廊主体基坑依次分层开挖土体至基坑底。

工况三：K1+320～K1+440 段管廊主体基坑依次分层开挖土体至基坑底。

工况四：K1+440～K1+480 合景路交叉口处基坑依次分层开挖土体、施工冠梁、施工砼支撑直至开挖至基坑底。

工况五：待K1+080～K1+480 段基坑全部开挖完后（最不利情况），再施工管廊主体结构，回填管廊主体基坑。

工况六：开挖接户井及管线基坑，施工接户井结构、铺设管线。

经过计算分析得邻近隧道随着基坑开挖施工发生的位移变化，位移云图见图6、图7，基坑及地铁隧道结构位移结果汇总表见表2。

图6 基坑开挖到底时基坑位移云图

图7 工况六地铁隧道总位移云图

表2 基坑及地铁隧道位移有限元计算结果

3 结论

基于项目基本工程概况、场地勘察资料、设计图纸、施工方案、已建隧道结构图纸等，通过上述基坑开挖对地铁隧道影响的三维有限元模拟分析，可得到如下结论：

⑴综合管廊基坑上跨地铁隧道施工开挖，将使得地铁隧道发生一定量的变形和位移，隧道结构的最大水平位移为2.92mm，最大竖向隆起位移为4.03mm，小于国标《城市轨道交通结构安全保护技术规范》地铁隧道结构保护要求限制20mm。

⑵若基坑开挖期间地下水控制不当导致地下水位下降，虽地铁结构竖向隆起位移会因水位下降造成上覆土体的有效压力的增加而有所减少，但地铁结构水平位移将增大、且内力将增大。

⑶地铁隧道结构在基坑施工的第一个工况完成时，位移变形已经接近最大值，是由于在K1+1080 段地铁隧道位于综合管廊隧道的正下方，地铁隧道顶与综合管廊基坑底的实际净距离最近，因此该工况基坑开挖施工对地铁的影响最大。

⑷综合管廊基坑回填后，地铁隧道结构的隆起趋势得到遏制，且有往下沉的趋势，但因管廊结构总体重度小于原状土的重度，地铁隧道在综合管廊施工完成后，总体依旧呈略微隆起状态。