新建箱涵小净距上穿既有城际隧道影响分析

何冠男

中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西 西安 710043

在地铁沿线附近及正上方进行基坑开挖施工过程中，由于机械施工扰动、土层开挖卸荷打破地铁隧道周围土体应力平衡，难免就会导致隧道产生移动与变形，严重可使隧道出现开裂、渗漏等重大安全事故。由于地铁隧道的脆弱性与高安全性，故对位移变形控制十分严格。

郭劲睿[1]等利用 MIDAS/GTS NX 软件模拟分层放坡方案与原竖井方案的对比，并模拟了隧道洞内堆载与场地土体回填等措施来控制既有隧道隆起量；文仁学[2]等运用有限元软件分析了“隔三挖一”顺序抽条开挖与“抗浮板+抗拔桩”开挖两种施工方法的异同以点与优缺点；郭晓欢[3]等对北京某紧邻地铁车站基坑采用ANSYS 软件进行模拟，结果显示邻近地铁基坑开挖会对隧道结构的水平和竖向产生影响，且基坑开挖位于隧道结构侧向时，隧道以水平位移变形为主；郭鹏飞[4]等通过对国内上跨隧道的基坑工程案例进行总结归类分析得出结论，隧道所处的地质条件对隧道隆起变形影响较大，其次是基坑开挖深度、开挖面积、基坑形状等因素；李振[5]通过分析上跨地铁隧道的箱涵工程，得出抗拔桩与管幕门式加固能有效减小既有隧道竖向位移值与水平位移值；陈涛[6]对箱涵上跨地铁盾构区间展开数值分析，提出了箱涵顶进过程中采用自适应配重可有效控制隧道上浮变形；张瑞金[7]用 Midas GTS 软件，分别利用摩尔-库伦本构和修正摩尔库伦本构对北京地区地铁某 CRD 法通道施工过程进行数值模拟，结果表明：修正摩尔库伦本构较好的解决了该地层采用摩尔-库伦本构下地面隆起变形和坑道底部土体隆起偏大的情况，分析结果更接近监测数值；胡建林等[8]通过对基坑变形情况进行数值分析，修正摩尔库伦模型预测值与实测值的位移规律曲线相比摩尔库伦模型更为吻合；

目前国内对于地铁区间上方小净距明挖施工箱涵工程的相关研究及工程报道较少，新建佛山市裕和路箱涵工程，下卧既有隧道为明挖施工矩形结构隧道。箱涵结构底部与既有广佛环线区间隧道顶板最小净距0.6m，属国内罕见。

本文结合以往工程实例，提出小净距情况下分段明挖施工箱涵工程，利用摩尔库伦和修正摩尔库伦本构模型进行数值分析，得到新建箱涵结构施工过程中既有地铁隧道的变形规律，为新建上跨箱涵施工方案提供理论支撑。实际施工监测值说明修正摩尔库伦模型计算数值更接近实测值。

1 工程概况

1.1 交叉段广佛环城际铁路概况

广佛环线东平2号隧道沿裕和路行进，隧道为明挖箱型结构，结构净宽17.7m，高10.5m。围护结构护采用1m厚钢筋混凝土连续墙。结构顶板厚1m，底板厚1.1m，侧墙厚0.9m。

图1 交叉段广佛环隧道结构剖面图

1.2 裕和路箱涵工程概况

新建箱涵为 C40 钢筋混凝土结构，每孔尺寸净宽 6m，净高 4.0m，涵中心长 57m；箱涵顶、底板厚 55cm，边、中侧墙厚 50cm。基底设置两排Φ1500抗拔桩。

1.3 工程地质概况

经勘察钻孔揭示箱涵基坑及广佛环隧道深度范围内自上至下地质分层分别为第四系人工填土层()（厚度为3m）、第四系全新统细沙层()（厚度为12m）、第四系全新统中沙层()（厚度为8m）、第三系始新统强风化岩层()（厚度为8m）和第三系始新统中风化岩层()（厚度大于25m）。根据地勘资料第四系地下水位埋深0～5.3m，平均埋深为1.9m，水位高程-0.66～3.77m。

2 箱涵施工方案

为确保新城区防洪排涝安全，箱涵必须满足河涌过流能力，箱涵底板高程受限。方案优化后，箱涵底板与广佛环隧道顶板最小间距为0.6m。

由于间距过小，有限空间内管幕无法施做，箱涵无法采用顶进法施工，故箱涵只能采用明挖法施工。本研究提出了基坑分段开挖结合箱涵底板反压回填措施，箱涵底于广佛环隧道两侧布置两排抗拔桩与广佛环既有连续墙共同限制土体变形。连续墙凿除时预留钢筋与后期施做的箱涵底板连接[9]。

3 既有隧道变形控制标准

本次评估对于沉降控制值按照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》CJJ/T202-2013办理。本段广佛环线施工时尚未铺轨，铺轨前隧道顶板底板竖向位移：采用±10mm作为竖向位移行动值，±20mm作为竖向位移控制值；采用±10mm作为水平方向位移行动值，±20mm作为水平方向位移控制值。

4 数值分析

4.1 本构模型选取

本文依托于实际工程案例，采用修正摩尔库伦模型与传统摩尔库伦模型进行对比分析，分析采用 MIDASGTS/NX 有限元分析软件，该软件提供了修正摩尔库伦模型（Modified Mohr Coulomb Model），以下简称M-MC 模型），该模型是对 Mohr-Coulomb 模型的优化，弹性模量可以根据加载和卸载设置不同的值，故更适合分析基坑开挖导致的卸荷效应。

修正摩尔库伦模型是由摩尔库伦模型本构上发展而来的本构模型，适用于各种类型的地基土，尤其是砂土等具有摩擦特性的材料。

这是因为M-C本构为弹-理想塑性模型，土体刚度单一，它能较好地描述土体的破坏行为，认为土体在达到抗剪强度之前的应力-应变关系符合胡克定律，因而不能较好的描述土体在破坏之前的变形行为，且不能考虑应力历史的影响及区分加荷和卸荷。M-MC本构剪切屈服面和压缩屈服面是独立的，剪切屈服面与摩尔-库伦本构屈服面相同，压缩屈服面为椭圆形的帽子本构，考虑了土体的剪胀和中性加荷。M-MC本构在主应力空间中屈服面并不是固定不变，而是可以随着塑性应变而扩张[10]。

本次计算中假定前提如下：

（1）地层采用实体单元，地层考虑采用Mohr-Coulomb与修正Mohr-Coulomb对比分析；

（2）混凝土结构采用实体单元，支撑采用线弹性材料模拟；

（3）模型四周边界单向铰支约束，上表面自由，底部固结约束。

4.2 模型建立

计算模型取裕和路及广佛环隧道线路走向为Y轴，竖直为Z轴，裕和路箱涵过水方向为X轴。在建立计算模型时，以Saint Venant原理为指导，根据既有广佛环隧道及箱涵断面尺寸，模型X方向和Y方向均取70m；Z方向根据地质钻孔信息，素填土层取3m，细砂1取12m，细砂2取8m，强风化砂岩取8m，中风化砂岩取25.6m；模型上部为自由边界条件，最底部为固定边界，X轴方向水平位移约束，Y 轴方向前后位移约束。

4.3 参数选取

图2 数值计算模型

图3 M-MC模型四期开挖方案阶段2水平位移云图

图4 二期开挖方案底板隧道水平位移曲线

图5 四期开挖方案底板隧道水平位移曲线

图6 M-MC模型四期开挖阶段7竖向位移云图

图7 二期开挖方案隧道底板位移曲线

图8 四期开挖方案隧道底板竖向位移云图

图9 箱涵施工期间隧道底板位移监测曲线

4.4 分析工况

本次模型计算包含箱涵分2期分段施做及4期分段施做两种施工方案，其中，2期分段开挖箱涵底板采用压重措施降低开挖卸载作用。考虑到箱涵如果采用先两侧后中间的施工顺序，则会在施工中间段箱涵时，同时破除隧道两侧连续墙，对隧道扰动较大，故箱涵以隧道中心线分界两侧两段先后施工。

为简化施工工序，箱涵4期施做方案已最大限度降低单次卸荷量，故不采用回填压重以简化施工工序。

4.5 计算结果

（1）道床水平位移分析

表1 隧道底板最大水平位移

隧道结构最大水平位移位于顶板且均未超过规范控制值，其中，修正摩尔库伦本构模型的计算结果明显小于摩尔库伦模型。

（2）道床竖向位移分析

表2 隧道底板最大竖向位移

结构最大竖向位移位于底板及侧墙，且均未超过规范控制值，其中，修正摩尔库伦本构模型的计算结果明显小于摩尔库伦模型。

4.6 分析结论

从模型分析结果得出，修正摩尔库伦本构模型的计算结果明显小于摩尔库伦模型，尤其是针对水平位移。两种施工方案的计算结果比较接近，根据修正摩尔库伦模型的计算结果，二期开挖加反压回填的位移控制效果略好于四期开挖方案。如能在雨季来临前完成箱涵施工，推荐二期开挖加反压回填方案。

5 施工监测情况

5.1 施工概况

箱涵基坑施工于3月份开工，采用明挖法分两期施工，6月份已完成路面恢复。基坑开挖过程中最大程度的减少了基地暴露时间，挖至基底后三日内即完成底板浇筑。另外箱涵于非雨季施工，基坑内无积水。开挖过程中配合监测数据做好了压重预备应急措施。

5.2 计算数据与监测结果对比分析

根据监测单位提供数据，施工期间箱涵正下方隧道底板最大隆起1.9mm，最大水平位移0.5mm。满足规范要求且没有触及预警值。

根据前述数值分析，基坑二期开挖方案，摩尔库伦模型，底板最大隆起8.1mm，最大水平位移2.5mm。而在修正摩尔库伦本构模型下，底板最大隆起3.7mm，最大水平位移0.8mm。修正摩尔库伦计算结果更接近实际变形值。本次箱涵施工并未采取隧道周围土体注浆加固措施，考虑到广佛环明挖隧道地连墙为嵌岩地连墙，有效的起到了隔离和抗拔作用。本次研究前期也对不包含连续墙的数值模型进行计算，结果表明无连续墙作用的情况，基坑开挖造成的隆起值远大于规范限值。

6 结论

1）明挖箱涵，地下通道等市政工程，基底距离既有隧道结构太近而无法采用顶进施工法的情况下，采用基坑分期开挖加底板反压回填的措施具备可行性。

2）根据数值分析，在既有隧道上覆基坑规模不大的情况下，基坑可不必过多分段施工，本次箱涵工程分两期施工依然可以确保既有结构变形在规范限值之内。

3）修正MC本构模型考虑了土体弹性卸载/再加载时的弹性模量，从而能较好的解决了M-C本构模型下地面隆起变形和坑道底部土体隆起偏大的情况。修正摩尔库伦模型的位移计算结果与实际监测值更为接近。

4）不同于盾构隧道，既有明挖隧道若有连续墙或围护桩的保护作用，则不需要做地层注浆加固措施。