综合管廊不同开挖方式对既有轨道结构变形影响的数值模拟分析

罗 冰

（厦门市政管廊投资管理有限公司，福建 厦门 361001）

0 引言

随着城市地下空间的大规模开发利用，地下综合管廊建设项目持续增多。综合管廊的线位与既有地下管线、轨道交通线路等交叉的情况越来越常见。综合管廊的基坑开挖会造成既有轨道交通线路的土体发生隆起变形，甚至威胁轨道交通结构的安全。目前国内外针对上覆土层开挖卸载对既有结构的影响进行了较多研究，大部分案例都是基底与既有结构净距较大的情况，对于净距较小的案例研究较少。某综合管廊工程上跨既有轨道线路结构，轨道与综合管廊基坑底面最小竖向净距仅为3.51m，本文采用Midas-GTS NX 软件建立数值分析模型，分析拟定的两种不同开挖方式对下部既有轨道结构变形的影响。

1 工程概况

拟建的综合管廊为双舱矩形钢筋混凝土框架结构，断面尺寸为（3+3）××3综合。综合管廊采取明挖法施工，综合管廊上跨既有轨道采用放坡开挖，如图1所示。

图1 综合管廊与轨道剖面关系图

综合管廊与既有轨道两者平面斜交，管廊上跨既有轨道。轨道与综合管廊基坑底面最小竖向净距为3.51m。目前轨道已洞通，尚未铺轨。本区间轨道穿越主要地层为凝灰熔岩残积砂质粘性土、全风化凝灰熔岩、全风化花岗岩、微风化花岗岩等。

2 轨道交通结构安全控制指标值

根据《轨道交通安全保护技术标准》（Q-AMTRAQ-001-2020）中规定：轨道交通结构安全控制指标应包括：位移、变形、差异沉降、结构裂缝、相对收敛、变形曲率半径、盾构管片接缝张开量、附加荷载、爆破振动速度、轨道横向高差、轨向高差、轨间距、道床脱空量等。结构安全控制指标值宜符合表1的规定。

表1 轨道交通结构安全控制指标值

3 管廊基坑不同开挖方式对既有轨道结构变形影响分析

3.1 数值计算模型

计算模型及具体位置关系如图2 所示。模型尺寸为200 寸为具体位置关系，模型划分为121234 个单元，80501 个节点。土体本构模型采用修正Mohr-Coulomb模型；隧道管片和基坑边坡喷砼使用板单元模拟，隧道的尺寸、相互位置关系设置均按照图纸实际情况进行模拟。

图2 三维计算模型图

3.2 计算材料参数选取

本次计算所有岩土材料的参数取值详见表2；钢筋混凝土结构的参数取值详见表3。

表2 主要土层物理力学参数

表3 主要结构物理力学参数

3.3 计算工况及计算结果分析

3.3.1 常规开挖施工工况模拟

模拟常规开挖施工工序：地应力平衡→施作既有地铁区间→位移清零→开挖基坑、施做边坡喷砼→施加上部管廊结构荷载（包括结构施工及覆土回填）。

图3所示为开挖综合管廊造成的轨道结构变形及内力数值。管廊基坑开挖到底时隧道最大水平位移和竖向位移分别为1.83mm和9.68mm，其中竖向位移已经接近规范规定的指标10mm。上部卸载会引起既有轨道结构局部隆起变形，从而引起结构挠曲度变化，会导致管片之间纵向拉力增大，既有轨道结构存在安全隐患[1]。

图3 常规开挖施工工序下管廊基坑开挖到底时Z方向位移

3.3.2 分段分层开挖隧道预堆载施工工况模拟

施工情况过程中，随着基坑开挖的进行，需采取分次在区间隧道结构内部进行预堆载的措施。综合管廊基坑开挖时，按10m 的长度进行分段开挖，如图4 所示将基坑分成了①至⑧八个区域，按照“先两侧，后上方，纵向台阶，预堆载”的原则进行土体开挖[2]。区间隧道结构内部预堆载施工工序如表4所示。

表4 分次施加隧道结构内预堆载说明表

图4 基坑开挖平面示意图

通过各施工阶段的模拟分析得出计算结果表5 和图5。当采取隧道结构内部预堆载的措施后，当管廊基坑开挖到底时，隧道的最大水平位移为1.93mm，最大竖向位移为5.76mm，如5图所示，均满足规范要求控制指标。

表5 不同施工工序下各施工阶段隧道最大竖向位移表

图5 隧道预堆载施工工序下管廊基坑开挖到底时Z方向位移

结合基坑开挖分段分层法，在既有结构内部采取对应的预堆载措施，使既有轨道结构竖向变形减少40%，且曲线变化更加缓和，各工况位移均有大幅度减小。可见，采用分段分层开挖结合预堆载措施可以有效控制既有结构变形。

3.3.3 结构抗浮验算

按每延米管片进行抗浮验算，抗浮安全系数为1.1，本区间覆土为强风化凝灰熔岩，由表2可知其重度为20.4kN/m3。

最小覆土厚度=（浮力-自重）×1.1/（土层浮重度×管片宽度）=（301.907-160.810）×1.1/（10.4×6.2）=2.4m，本区间覆土厚度均大于2.4m，因此抗浮满足要求。

4 结束语

本文以综合管廊上跨既有轨道工程为背景，用数值分析软件进行模拟计算，探讨了管廊基底与既有轨道结构净距较小的情况下基坑不同开挖方式对既有结构变形的影响，结论如下：

（1）上部卸载会引起既有轨道结构局部隆起变形，从而引起结构挠曲度变化，会导致管片之间纵向拉力增大，既有轨道结构存在安全隐患。

（2）分段分层开挖卸荷结合既有结构内预堆载措施，使既有轨道结构竖向变形大幅度减少，满足变形控制要求，对同类型工程有参考借鉴意义。

（3）基坑开挖，对于既有结构的抗浮有一定影响，需根据实际情况确定其最小净距。