市政管线改造施工对既有地铁结构影响分析

2022-08-14魏东方王斌合肥市市政设计研究总院有限公司安徽合肥230041

安徽建筑 2022年8期

魏东方，王斌（合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽合肥 230041）

0 引言

随着城市发展，地下设施建设越来越密集，地下空间作为重要资源得到了越来越多的重视。近年来，合肥市基础设施建设越来越完善，城区运营及在建地铁线路接近10条，地铁覆盖范围越来越广。地铁建设带动周边商业活力的同时，对周边工程项目规划、建设提出了更高的要求。地铁隧道对变形敏感，基坑开挖施工会导致下方地铁隧道产生变形（包括管片错台、管片变形、管片开裂和管片变位）。变形过大将会对隧道结构、列车行车安全产生很大影响。因此，对于上跨既有地铁区间隧道的基坑工程，如何准确预测和防治地铁上抬变形便成为急需解决的问题［1-8］。

城市道路下方为公共设施集中布设的场地，市政管线密集，穿越既有轨道交通设施的情况越来越多。市政管线维修、更新不得不考虑对地铁设施的保护，考虑市政管线施工对地铁结构安全影响。本文以合肥地区老旧道路改造中雨水箱涵改建为背景，通过三维有限元数值模拟和二维典型剖面计算，分析箱涵基坑开挖过程中，地铁结构内力和变形的变化，判断管线基坑施工对邻近既有轨道交通线区间隧道造成的影响是否在安全可控的范围内，并提出相应的应对措施，对为合肥地区类似项目提供借鉴。

1 工程概况

1.1 项目简介

本项目改造雨水箱涵位于合肥市翡翠路与芙蓉路交口，雨水箱涵尺寸3000×1600，箱涵基坑宽度4.8m，开挖深度4.8m，基坑围护结构采用咬合桩+内支撑的复合支护形式。箱涵与合肥市轨道交通3号线繁华大道站～芙蓉路站区间平行，与区间右线隧道结构最小水平距离约7.7m，基坑底距离区间隧道结构约5.5m。结构剖面相对位置关系详见图1、图2。

图1 雨水箱涵支涵与区间隧道相对位置关系图（1）

图2 雨水箱涵与区间隧道相对位置关系图（2）

1.2 工程地质条件

拟建场地宏观地貌单元为江淮丘陵，微地貌单元为岗地与坳沟。上覆土层以第四纪冲积粘性土为主，下伏白垩系（K）棕红色泥质砂岩风化带，覆盖层厚度（至中风化泥质砂岩面）约20～30m。

根据勘察资料，基坑所在地层从上到下依次为：①1填土、④2黏土。

①1层素填土（Qml）：层厚1.1～6.2m，灰黄、灰白、灰褐、杂色等，稍密状态为主，局部松散、中密状态，湿，该层上部10～15cm为黑色沥青面层，其下为水泥结构层，厚约40～80cm，结构层以下为三合土及粘性土垫层，混碎石、砂、石灰等。

④2层粘土（Q3al+pl）：最大揭示厚度为11.7m，褐黄、灰黄、黄褐色，硬塑状态为主，下部局部坚硬状态，湿，网状裂隙稍发育，局部夹薄层硬塑状粉质粘土，含铁锰质结核，氧化物、高岭土等，下部含较多钙质结核。光滑，无摇振反应，干强度及韧性高等。

土体物理力学参数见表1。

土体物理力学参数表1

1.3 水文地质条件

项目所在位置地下水类型主要为上层滞水，分布于①1层素填土孔隙中，受大气降水、地表水入渗补给，排泄方式以向低洼处渗流及蒸发为主，水量不丰富。地下水静止水位埋深为1.1～3.0m，水面标高22.72～42.91m。地下水年变化幅度约2m。④2层粘土均为非含水层。

2 基坑开挖对邻近地铁结构影响分析

2.1 计算参数选取

为研究管道基坑施工对3号线区间隧道的影响，采用三维有限元模型进行分析。分析中盾构隧道结构假设为线弹性体，各土层则假设为弹塑性体，土体采用硬化模型（即修正mohr-Coulomb模型）。土体硬化本构模型能考虑粘土的硬化特征、能区分加荷和卸荷的区别，且其刚度依赖于应力历史和应力路径，计算结果能同时给出较为合理的墙体变形及墙后土体变形，适合于敏感环境下的基坑开挖数值分析。

土体硬化模型共有11个参数，包括：有效粘聚力c’、有效内摩擦角φ’、剪胀角Ψ、三轴固结排水剪切试验的参考割线、固结试验的参考切线模量、与模量应力水平相关的幂指数m、三轴固结排水卸载-再加载试验的参考卸载再加载模量，卸载再加载泊松比υ，参考应力Pref、破坏比Rf、正常固结条件下的侧压力系数K0。

计算模型中两侧垂直边界条件为水平固定，模型底面为水平及竖直方向均固定。

2.2 基本假设

①假定围岩各层都是各向同性连续介质，土体采用Mohr-Coulomb模型，并采用Mohr-Coulomb破坏准则，Mohr-Coulomb模型在数值计算中效果较好，并且该准则能较好地描述岩土材料的破坏行为，在岩土领域得到了广泛的应用。

②地层、隧道开挖区均采用实体单元模拟。

③盾构、管片主体结构采用板单元模拟，围护结构采用梁单元模拟，材料均用线弹性材料。

④周边既有建构筑物的超载按均布荷载作用于模型顶面。

⑤仅考虑静水压力，不考虑渗流影响。

⑥数值模拟按实际施工顺序，分步骤模拟。

⑦模型四周边界及下表面采用单向铰支约束，上表面采用自由约束。

2.3 三维有限元分析

采用Midas GTS有限元软件分析雨水箱涵基坑施工与合肥市轨道交通3号线繁华大道站～芙蓉路站区间隧道的影响，模型的整体尺寸为：X向120m，Y向67m，Z向50m。箱涵基坑深度4.8m，宽度4.8m，基坑支护采用桩+内支撑的复合支护形式，围护结构采用咬合桩，采用一道双拼槽钢支撑。

计算分析过程完全按实际施工过程分为多个阶段，荷载根据施工过程的变化逐步增加（或减小），边界条件也相应调整，最终工况的结构内力和变形根据各个阶段计算结果逐步累加而成，有限元模拟施工步骤如下。

工况一：初始应力场分析。

工况二：咬合桩及冠梁施工。

工况三：开挖到地下0.5m，架设钢支撑。

工况四：开挖到雨水箱涵基坑底，即地下4.8m。

工况五：管道施工、基坑回填。

计算模型及结果如下：

图3 计算模型（1）

图4 计算模型（2）

图5 隧道结构剪力云图（雨水箱涵基坑开挖至地下0.5m处,盾构区间最大剪力为82.5kN）

图6 隧道结构弯矩云图(雨水箱涵基坑开挖至地下0.5m处,盾构区间最大弯矩为173.3kN·m)

图7 隧道结构剪力云图(雨水箱涵基坑开挖至地下4.8m处,盾构区间最大剪力为102.3kN)

图8 隧道结构弯矩云图(雨水箱涵基坑开挖至地下4.8m处,盾构区间最大弯矩为174.2kN·m)

图9 隧道结构位移云图（基坑开挖到地下0.5m时,盾构区间隆起最大位移0.23mm）

图10 隧道结构位移云图（雨水箱涵基坑开挖至地下4.8m处,盾构区间隆起最大位移2.58mm,差异沉降为0.64mm）

图11 隧道结构位移云图（基坑开挖到地下0.5m时,盾构区间最大水平位移0.09mm,最大径向收敛0.18mm）

图12 隧道结构位移云图（雨水箱涵基坑开挖至地下4.8m处,盾构区间最大水平位移1.18mm,最大径向收敛2.06mm）

图13 模型中道床及轨道示意图

图14 雨水箱涵基坑开挖至地下4.89m处,轨道竖向位移云图（最大竖向位移1.36mm）

图15 雨水箱涵基坑开挖至地下4.89m处,轨道水平位移云图（最大水平位移0.31mm）

有限元分析结果显示，基坑开挖引起区间结构隆起，最大隆起量2.58mm，最大水平位移为1.18mm，最大径向收敛2.06mm。轨道最大竖向位移1.36mm，最大水平位移0.31mm，均满足变形控制要求。

有限元计算结果可以看出，基坑开挖至地面下0.5m处，盾构衬砌最大弯矩173.3kN·m，最大负弯矩-160.81kN·m；基坑开挖至地面下4.8m处，盾构衬砌最大弯矩174.21kN·m，最大负弯矩-162.43kN·m。管线基坑开挖过程引起盾构隧道衬砌结构弯矩变化较小，表明基坑开挖后区间隧道结构能满足承载能力和正常使用要求。