综合管廊基坑及顶管开挖对既有地铁隧道的数值模拟分析

区穗辉，乔升访，方恩权，周万欢

（1、广州轨道交通建设监理有限公司 广州 510010；2、广州市建筑科学研究院集团有限公司 广州 510420；3、广州地铁集团有限公司 广州 510335；4、澳门大学 澳门 999078）

0 引言

城市更新过程中，各种市政工程的施工，会对邻近周边土体结构造成一定程度上的扰动，而这些市政工程在地铁隧道保护范围内的情况下，将有可能造成既有地铁隧道的变形［1-2］。虽然说邻近地铁盾构隧道变形已趋于稳定，但是由于地铁盾构隧道是由预制管片拼成的，属于柔性结构，受周围土体影响较为敏感［3］。根据2015年12月3日修订实施的《广州市城市轨道交通管理条例》，地铁沿线设立地铁保护区，包括了地下车站和隧道结构外侧50 m；地面和高架车站以及线路轨道结构外侧30 m；出入口、通风亭、车辆段、变电站，集中供冷站等地铁建筑物结构外侧10 m等范围。地铁保护区内的建造拆卸、地面堆载、工程勘察、开挖水道、地下管线作业、开挖基坑等建设工程在报建阶段，需满足保护要求后才可实施。

为提前预测地铁保护范围内综合管廊基坑及顶管开挖对邻近既有地铁隧道的影响，使用数值模拟的手段，模拟某综合管廊工程基坑支护、开挖、顶管施工等工况下对邻近既有地铁隧道的影响，在受复杂外力的情况下获取其准确的力学信息，同时反映出上述工况对地铁隧道的影响。

1 工程概况

1.1 工程概况

某项目综合管廊总长约1.17 km，主体结构断面尺寸为6.70 m×4.25 m，沿道路中央绿化带下方布置，管廊采用明挖法施工，须上跨正在运营的地铁线路，管廊与地铁左右线交角均约为70°。其中，管廊基坑G13断面采用放坡开挖的形式，G9、G10断面采用支护桩+混凝土支撑的支护体系。根据地铁保护要求，在受影响的地铁区间上方及两侧各10 m 范围内不能采用有振动挤土效应的钢板桩支护，因此这部分较深的基坑采用钻孔灌注桩支护。

其中，G9、G10 断面钻孔灌注桩桩径0.8 m，桩间距1.0 m，设一道钢筋混凝土内支撑，支撑断面尺寸为600 mm×800 mm，桩间采用φ600 mm 高压旋喷桩止水。G9、G10 断面支护桩与隧道左右线顶面距离分别为11.7 m和11.2 m。

污水管为新建污水管道，管径为DN1 000，采用Ⅲ级钢筋混凝土管F 接口，管道埋深为9.24～9.44 m，采用顶管施工工艺，与地铁左右线交角均约为75°。

综合管廊基坑、污水顶管隧道与既有地铁隧道的位置关系如图1所示。

图1 综合管廊基坑、污水顶管隧道与既有地铁隧道的位置关系示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Positional Relationship between the Comprehensive Pipe Gallery Foundation Pit and the Existing Subway Tunnel

1.2 文地质情况

根据钻探揭露，该路段从上往下包括第四系（Q）覆盖层的人工填土（Qml）层、坡残积层（Qdl+el）的砂质性粘土、基岩（γ52）的全风化岩层。其中人工填土层（Qml）层厚0.50～10.20 m，平均厚度3.01 m；坡残积层（Qdl+el）厚度8.90～36.00 m，平均20.73 m；全风化花岗岩顶面埋深15.00～37.00 m，平均25.47 m，揭露层厚4.60～17.00 m，平均9.85 m；强风化花岗岩顶面埋深29.00～46.00 m，平均38.59 m，揭露层厚3.00～11.50 m，平均6.57 m。

拟建道路区内所经过的河涌主要为丘陵地带冲沟，受季节性控制明显，汛期流量大，枯水期流量小，具有山区河流受降雨控制暴涨暴落特点。本区分布少量鱼塘，丘陵地段冲沟发育，流程较短，水量少，受季节性控制明显，地表水体稍发育。

2 模型建立

在既有邻近地铁隧道附近进行包括基坑支护桩施工、基坑开挖、顶管施工等，土方卸载是影响地铁隧道安全的主要因素［4］。当开挖隧道上方土体时，将产生地基土的卸载，易引起隧道向上隆起，产生竖向位移。

选取断面进行基坑及顶管隧道模型建立的参考，包括放坡部分（G13）以及钻孔灌注桩部分（G9∕G10）断面，顶管隧道施工断面（见图2）。

图2 管廊基坑与污水顶管各参考断面Fig.2 Reference Cross-sections of the Pipe Gallery Foundation Pit and Sewage Pipe Jacking（mm）

本文使用Midas GTS-NX 有限元软件建立三维模型，模拟基坑支护桩施工、基坑开挖、顶管施工等施工工况对地铁结构的不利影响，重点分析工程施工期间对地铁隧道结构变形的影响情况。根据地质勘察报告，结合现场实际情况，土体的本构模型采用修正摩尔库伦模型，各土层参数如表1 所示，水位情况按照地面以下5.0 m考虑。

表1 地基土的工程特性指标建议值Tab.1 Suggested Value of Engineering Characteristic Index of Foundation Soil

有限元模型建立单元共95 872 个，节点15 599 个，整体模型外观以及管廊基坑、污水顶管与既有地铁隧道的关系如图3所示。

图3 整体模型及管廊基坑支护、污水管与既有地铁隧道单元Fig.3 The Overall Appearance of the Model，Pipe Corridor Foundation Pit Support，Sewage Pipe and Existing Subway Tunnel Unit

3 施工过程构建与隧道变形分析

根据实际的施工情况，按照地铁隧道变形最不利情况考虑［5］，把施工过程动态工况模拟如下：［工况1］初始应力状态；［工况2］既有地铁隧道的现状；［工况3］管廊基坑支护施工；［工况4］管廊基坑开挖，由于基坑深度较小，采取一次完成所有断面开挖卸荷；［工况5］污水顶管隧道施工（见图4）。

图4 管廊基坑支护与基坑开挖Fig.4 Pipeline Gallery Foundation Pit Support and Foundation Pit Excavation

本模型主要分析管廊基坑及污水顶管施工对隧道的水平位移、竖向位移的影响，本文列举了既有地铁隧道的现状、管廊基坑支护施工、管廊基坑开挖、污水顶管隧道施工时最大水平位移、竖向位移图，其中水平位移以水平方向地铁隧道变形远离管廊基坑为正，竖向位移以竖直方向地铁隧道变形向上为正。

⑴管廊基坑开挖时地铁隧道最大水平位移、竖向位移如图5所示；

图5 管廊基坑开挖时地铁隧道最大水平位移、竖向位移Fig.5 The Maximum Horizontal Displacement and Vertical Displacement of the Subway Tunnel during the Excavation of the Pipe Gallery Foundation Pit

⑵ 污水顶管隧道施工时地铁隧道最大水平位移、竖向位移如图6所示。

图6 污水顶管隧道施工时地铁隧道最大水平位移、竖向位移Fig.6 Maximum Horizontal Displacement and Vertical Displacement of Subway Tunnel during Construction of Sewage Pipe Jacking Tunnel

不同施工工况下地铁隧道最大位移统计如表2所示。可知，上述各工况条件下，地铁隧道最大水平位移出现在左线，最大竖向位移出现在右线。既有地铁隧道现状的最大水平位移变形值为1.96 mm，最大竖向位移变形值为10.84 mm；管廊基坑进行围护结构与支撑施工时，最大水平位移变形值为1.96 mm，最大竖向位移变形值为10.84 mm；管廊基坑开挖时，最大水平位移变形值为2.21 mm，最大竖向位移变形值为13.69 mm；污水顶管隧道施工时，最大水平位移变形值为2.21 mm，最大竖向位移变形值为13.76 mm。

表2 不同施工工况下地铁隧道最大位移统计Tab.2 Statistics of Maximum Displacement of Metro Tunnel under Different Construction Conditions

计算结果分析，管廊基坑进行围护结构与支撑施工以及污水顶管施工对土体扰动情况较少，因此这几个工况下隧道管片变形值可以忽略不计，其变形主要在管廊基坑开挖阶段呈现增大的情况，位移以隆起为主。由于管廊基坑开挖土体相当于隧道上方土体卸荷的过程［6］，土体结构受力变化较大，周围土体会产生挤压效应，导致地铁隧道周围土体会有向管廊基坑开挖处移动的趋势，但隧道变形最大增量为2.85 mm。

4 结语

本文根据地铁盾构隧道设计资料，结合拟建某工程整治工程设计、施工资料，通过数值模拟的手段分析了管廊基坑与污水顶管施工对既有地铁隧道的影响，得到了各工况下隧道结构的变形情况。主要结论如下：

⑴综合以上模拟分析结果判断可得，变形主要在管廊基坑开挖阶段，对既有地铁隧道形成一定影响，但隧道变形值较小，按照隧道保护规范，管廊基坑与污水顶管施工对既有隧道影响情况可控。

⑵由于支护桩在既有隧道正上方，施工时应严格控制支护桩、止水桩桩位、垂直度、桩长和桩底标高。而污水顶管施工应严格控制轴线及高程，特别是对过地铁段加密监测。

⑶数值模拟手段在保护既有地铁线路中能够起到指引预判的作用，岩土层计算参数取值的合理性影响模拟预判结果，因此数值模拟的岩土参数应准确合理［7］。