综合管廊近距离并行既有地铁隧道的安全评估研究

黎 钜 宏

（佛山市地铁建设有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

城市地下综合管廊是将电力、通信、供水等各种市政公用管线根据规划的要求集中铺设在地下建造的市政公用隧道空间内。相比传统的地面铺设方式，地下综合管廊不仅可以避免管道线路之间的交叉干扰，还能清晰地标识管廊内的各线路、设备、材料等信息，同时方便维护和管理，具有更好的安全性、美观性等优点。

为更好管理市政管线，许多城市已开始广泛采用地下综合管廊。地下管廊作为地下结构，与城市轨道交通不可避免会存在一定冲突，研究综合管廊对地铁结构的影响具有现实意义。以佛山市某道路工程综合管廊项目近距离并行佛山既有地铁隧道为例，利用有限元分析软件MIDAS/GTS 分别建立二维模型和三维模型，对地铁既有隧道的受力和变形进行分析研究，并从设计、施工、监测等角度提出地铁保护要求措施[1-2]。

1 工程概况

1.1 管廊概况

广东省佛山市某道路工程项目全长约10 km，城市主干道，设计速度为60 km/h，规划红线宽度为45 m。项目主要包括道路工程、综合管廊工程、桥梁工程等内容。管廊外包尺寸为6 100 mm×4 100 mm，顶板覆土约3.0 m，管廊采用明挖法施工，基坑深约7.5 m，采用SMW 工法桩支护（三轴搅拌桩Φ850 mm@600 mm，内插H 型钢），支护桩长约21 m（H 型钢长约18.5 m）。

1.2 地铁隧道概况

管廊影响范围内，佛山市某既有地铁隧道线路轨面埋深约28.0 m，隧道顶覆土约23.10 m。既有地铁隧道区间采用盾构法施工，盾构外径约6.2 m，内径约5.44 m，管片厚度为0.38 m。轨道采用一般无砟轨道，轨道结构高度为780 mm。地铁隧道主要穿越＜2-1B＞淤泥质土、＜2-2-1＞粉细砂、＜2-4＞粉质黏土层。地铁区间隧道地面加固采用三轴搅拌桩，强加固区竖向范围为盾构隧道结构顶部以上3 m 至软弱土层底，三轴搅拌桩水泥掺量为22%。强加固区顶面以上至地面为弱加固区，三轴搅拌桩水泥掺量为8%。地铁区间隧道已完成土建施工。

1.3 地质和水文概况

工程场地由上至下依次为：＜1-1＞素填土、＜2-1B＞淤泥质土、＜2-2-1＞粉细砂、＜2-4＞粉质黏土、＜3-1＞粉细砂、＜8-2＞中风化泥质粉砂岩。地下水水位埋藏变化较小，主要为第四系松散孔隙水，地下水位普遍较浅，实测钻孔静止水位埋深为0～3.20 m，平均埋深为1.60 m。

1.4 管廊与既有地铁隧道的位置关系

管廊与既有地铁隧道基本呈现平行关系。综合管廊与既有地铁隧道的关系剖面图见图1。管廊约有1.2 km 与地铁隧道共线。管廊基坑外侧距离区间隧道外缘最小水平距离约为2.0 m，管廊基坑支护桩底与区间隧道最小竖向净距为2.0 m。根据相关规范要求，管廊位于地铁隧道特别保护区内，管廊施工对地铁隧道的影响等级为特级[3]。

2 建立数值模型

2.1 边界条件

对各结构构件及地层进行有限元模拟，模型主要荷载包括单元自重、土体压力、地面超载等，周边环境按无限刚度体模拟。二维有限元计算模型的边界条件为：模型底部X与Y方向位移约束，模型左右面X方向位移约束。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部施加X，Y，Z三个方向的位移约束，模型前后面施加Y方向的位移约束，模型左右面施加X方向的位移约束，见图2～图3。

图3 结构三维有限元模型

2.2 计算参数及本构关系

对于二维模型，采用平面应变单元模拟地层，梁单元模拟结构盾构管片、墙板、连续墙、隧道衬砌、支撑、冠梁等。对于三维模型，采用实体单元模拟地层，板单元模拟管廊墙板，梁单元模拟冠梁、腰梁、支撑等。分析采用摩尔-库伦破坏准则仿真模拟地层。基坑深度约7.5 m，计算模型范围以管廊基坑和地铁隧道外轮廓为基准外扩≥30 m。管廊板、墙厚0.5 m，采用C35 级混凝土；地铁隧道管片厚0.3 m，采用C35 级混凝土；H 型钢厚0.3 m。以上结构本构关系为弹性。岩土层物理力学参数见表1。

表1 岩土层物理力学参数

2.3 分析工况

本分析采用7 个施工步骤进行模拟,见表2。土体是具有一定密实度的连续介质，深基坑内土体开挖卸荷时，地层损失向地铁结构传递，引起地铁结构侧部土压力的变化，导致地铁结构位移发生改变。故开挖卸荷是影响地铁结构周围位移场、应力场的一个重要因素。本工程对地铁结构的影响主要表现在管廊基坑施工对盾构隧道结构产生影响，引起盾构管片内力及位移的变化。

表2 施工步骤分析

3 结果分析

经二维有限元分析，计算出管廊施工引起既有地铁隧道的位移：X向水平位移、Z向竖向位移、总位移最大变化量分别为3.528 mm，3.024 mm，3.571 mm（如图4 所示），X向水平位移、总位移均发生在开挖第2 层土时的工况，Z向竖向位移发生在回填覆土时工况；管廊施工引起既有地铁隧道的弯矩、剪力、轴力最大值分别为144 kN·m，237 kN，2 000 kN，地铁隧道内力最大值发生在基坑开挖第1 层、第2 层土时工况。

经三维有限元分析，计算出管廊施工引起既有地铁隧道的位移：X向水平位移、Y向水平位移、Z向竖向位移、总位移分别为0.014 mm，2.047 mm，2.982 mm，3.487 mm（如图5 所示）；X向水平位移、Y向水平位移、Z 向竖向位移、总位移均发生在开挖第2 层土时的工况；管廊施工引起既有地铁隧道的弯矩、剪力、轴力最大值分别为120 kN·m，219 kN，1 525 kN，地铁隧道内力最大值均发生在回填覆土时工况。管廊施工引起的隧道结构管片计算配筋为2 202 mm2，小于原隧道结构管片的配筋4 560 mm2。

图5 基坑开挖第2 层土时地铁隧道三维总位移云图（m）

综上所述，三维计算的Z向竖向位移、总位移约为二维计算的98.6%，97.6%，三维计算的弯矩、剪力、轴力约为二维计算的83.3%，92.4%，76.3%。二维计算的位移与三维计算比较接近，三维计算的内力约为二维计算的85%。该管廊基坑开挖及路面填土对邻近既有地铁隧道的变形和受力产生一定程度的改变，数值模拟计算的位移≤10 mm，引起地铁隧道的受力变化亦处于较低水平，主要因为管廊基坑和既有地铁隧道设计时均考虑对土层进行了一定程度的加固，改善了管廊基坑和地铁隧道周边土体的物理力学性质（数值模型上对该范围原状土层参数进行了调整），故对土层进行预加固对地铁结构能起到一定的保护作用。

4 结语

综上所述，本文对管廊施工中既有地铁隧道的影响进行分析，分析结果表明二维模拟计算出来的位移和内力值均比三维模拟的要大，但三维计算能反映地铁隧道沿纵向的位移和内力变化，也能反映隧道受力的真实状况。建议在临近既有隧道周边施工综合管廊时，应采用三维数值模拟对项目进行安全评估分析。

由于地层的复杂性，模型计算进行了一定的简化和假定，数值计算结果仅作为一个重要的参考数据。为能更好地保护地铁结构，从设计、施工、监测等角度对该管廊项目提出以下建议。

1）对处于深厚软土和砂土的地铁隧道，有必要对地铁隧道轮廓3 m 范围的软土进行加固。临近地铁隧道的管廊基坑应选择对土层扰动少、止水效果好的支护形式，并应对基底下软土进行加固。

2）搅拌桩施工前需认真复测地面标高，并核实地铁结构位置、标高，严格记录钻杆实时深度，控制进浆压力。同时拔除H 型钢板桩时，应采用振动较小的施工机械。

3）基坑不宜连续超前降水，防止因降水原因对地铁结构造成破坏。施工时应注意不得大量抽排地下水，应采取有效措施避免地下结构周边水土流失，严格控制水位累计变化幅度及每天变化速率，满足相关规范要求。

4）除按规范对地铁隧道各监测项目进行监测外，还应重点监测地铁隧道的椭变（建议按不超过5‰考虑）。