地铁车站基坑上跨盾构隧道数值计算分析

2023-01-15郑俊

工程建设与设计 2022年23期

郑俊

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029）

1 引言

随着我国城市轨道交通、城际铁路以及市政通道等地下工程的快速发展，新建地下结构与既有运营地下结构很难避免存在近距离交叉或者相邻关系。新建基坑的开挖会使既有地铁结构产生变形以及附加内力，甚至导致既有结构出现裂缝、渗水、甚至破坏，影响既有地铁的正常运营[1]。所以分析和控制深基坑开挖对邻近地铁结构的影响是紧邻地铁工程基坑开挖和既有地铁保护的关键课题。

对于紧邻既有地铁或者城际铁路的施工，应根据两者的相对位置关系、距离、既有结构形式等采取不同地铁保护措施。常用措施为加固基坑底部或者侧向既有地铁结构周边土层，对既有地铁结构施作隔离桩，采用合理的基坑开挖工序，施作抗浮板，堆载反压，合适的基坑降水方案，等等。

本文以深圳地铁3号线南延福保站基坑上跨既有广深港高铁盾构隧道为背景，运用有限元软件Midas-GTS对基坑开挖进行三维数值模拟，分析不同基底加固方式对盾构管片内力及变形的影响，以选择安全、经济合理的盾构隧道保护措施，并通过监测数据加以验证。

2 工程概况

深圳地铁3号线南延工程福保站沿红花路呈东西向敷设，车站总长558 m，标准段宽19.7 m，深约18.2 m，为地下2层站。车站在益田路上跨既有广深港高铁隧道，见图1。车站所处地层从上至下为：素填土、淤泥质粉质黏土、砂层、砾质黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩，基底主要位于淤泥质粉质黏土中。

图1 车站结构与高铁隧道平面图

广深港高铁隧道在本段线间距为20 m，埋深约38.5 m，采用盾构法施工，管片内径8.7 m，外径9.6 m。在车站施工期间已经贯通，后期需进行试运营。盾构隧道顶部距车站基坑底约20.7 m，见图2。

图2 车站结构及地质纵剖面图

3 基坑围护设计以及加固方案

福保站基坑采用地连墙（800 mm）+内支撑支护体系，竖向设置4道支撑，第一道为钢筋混凝土支撑（带八字撑），间距为9 m，第二道采用φ609 mm钢管撑，第三道、第四道采用φ800 mm钢管撑，间距为3 m。

加固方案一：当基底以下淤泥层厚度小于2.5 m时，采用石粉渣进行换填，大于2.5 m时采用等边三角形分布的φ0.8 m搅拌桩@1.2 m加固处理，桩端进入淤泥质土层下1 m。

加固方案二：在方案一的基础上增加加固范围，除对基底淤泥质土进行换填处理外，采用旋喷桩加固基底以下淤泥质黏土以及砾质黏性土等，厚约6 m。

4 数值计算分析

4.1 计算模型及参数

计算模型长200 m，宽为100 m，高度（竖直方向）为88 m。土层采用实体单元模拟，本构关系为弹塑性模型，屈服准则采用修正的Mohr-Coulomb准则；盾构管片、地连墙采用弹性板单元模拟，混凝土支撑及钢支撑采用梁单元模拟。其中管片弹模考虑管片间接头连接，取0.8的折减系数。计算模型网格见图3。

图3 计算模型网格

根据详勘结合工程情况，岩土力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

4.2 计算结果

未加固方案下基坑开挖到底时土层位移图见图4，加固方案一开挖过程中盾构管片最大竖向位移图见图5。不同加固方案下计算结果汇总详见表2。

表2 计算结果汇总

图4 开挖完土层竖向位移云图（未加固）

图5 管片最大竖向位移云图（加固方案一）

计算结果表明：

1）基坑开挖卸荷后，下方盾构管片发生隆起变形，变形范围主要集中在隧道长度方向60 m范围，约3倍基坑宽度，最大变形出现在基坑中线正下方。隧道拱顶隆起大于拱底隆起，说明隧道管片变形为整体上浮加断面发生侧向挤压变形的叠加。

2）在未加固情况下基坑底部隆起、地表沉降以及下方盾构管片变形都最大。管片在基坑开挖到底时，变形达道最大值，拱顶上浮10.3 mm，在基坑回筑阶段，管片开始沉降，拱顶最终上浮量为5.1 mm，超过运营阶段广深港高铁盾构隧道上浮允许量5 mm。应采取适当处理措施。

3）基坑开挖卸荷引起的变形主要集中在基底以下5 m范围。加固方案一，管片拱顶最大、最终隆起量均有所减小，分别为8.2 mm、3.8 mm，已满足运营阶段广深港高铁盾构管片上浮允许量。加固方案二，管片拱顶最大、最终隆起变形最小，分别为6.3 mm、2.7 mm。基坑开挖过程中，管片压应力都未超过管片抗压强度设计值，不会对管片造成破坏。综上采用加固方案一，既满足高铁隧道变形要求，又比较经济，为现场采取加固方案。