基于MIDAS_GTS_NX的复杂周边环境条件下地铁隧道安全评估应用

隋伟 刘鹏飞 刘天宇 翟文娟 董元滨

摘要 基于 MIDAS_GTS_NX 软件，文章对某复杂周边环境条件下裙房基坑项目施工对地铁隧道结构的影响进行模拟，分析施工全过程中地铁隧道、基坑围护结构及既有建筑物的位移和受力情况，对地铁结构、既有建筑物的安全性进行评估并对基坑支护方案可行性进行评价。结果表明复杂周边环境条件下地铁隧道安全评估采用MIDAS_GTS_NX软件进行计算分析能够贴近工程实际情况，评估方法可行。

关键词 安全评估；复杂周边环境；数值模拟；地铁隧道

中图分类号 U231文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）05-0007-03

0 引言

随着我国地铁工程建设的不断发展，地铁与周边建筑物近接施工已不可避免，地铁隧道下穿及侧穿建筑物或土建工程近接既有地铁隧道施工成为一种工程建设的常见现象，地铁隧道安全评估是确保地铁结构安全、控制工程建设风险的有效措施[1]。现采用MIDAS_GTS_NX有限元分析软件模拟复杂周边环境条件下某城市超高层项目施工对临近地铁隧道结构的安全影响分析[2-3]。

1 概述

1.1 工程概况

某市平安金融中心项目由1栋360 m超高层塔楼和裙房组成。塔楼地下3层，地上62层，平面尺寸45.6 m

×45.3 m，与塔楼相连的裙房地下3层，地上4层。现塔楼已施工至200 m以上，裙房基坑尚未开挖。地面整平标高80.5 m，裙房基坑开挖深度约18.3 m。

项目北侧市政道路下建有商业结构，商业结构地下2层（局部1层），靠近超高层项目一侧采用双排钻孔灌注桩，远离超高层项目一侧采用三排钻孔灌注桩，目前商业结构已完成土建施工。

商业结构下方为地铁隧道，隧道采用矿山法施工，现已完成初支施工，尚未进行二衬施工。裙房基坑围护结构与隧道结构最小净距约为6.6 m。该项目平面位置关系如图1所示。

1.2 工程地质及水文地质条件

场地位于山前倾斜平原地貌单元。场区地层分别为①素填土、①-1杂填土、②黄土状粉质黏土、②-1碎石、③粉质黏土、④碎石、④-1胶结砾岩、④-2粉质黏土、⑤-1强风化石灰岩、⑤-2中风化石灰岩、⑤-3中风化石灰岩、⑤-4岩溶、⑤-5全风化泥灰岩、⑤-6强风化泥灰岩。

勘察期间勘察深度内未揭示地下水。搜集区域水文地质资料，场区范围内地下水类型为碳酸盐裂隙岩溶水，地下水水位埋深较深。根据调查区域水文地质资料及周边工程资料，该场地裂隙岩溶水水位标高可按30～40 m考虑，水位变化幅度10～15 m。

1.3 基坑围护结构设计

基坑北侧采用锚杆+钢管桩支护方案，现状开挖面（高程70 m）以上紧贴地下商业结构侧墙开挖，现状开挖面至坑底采用锚杆+钢管桩支护方案，设置1道锚杆、1道冠梁、1排钢管桩。桩顶冠梁宽450 mm，高450 mm。锚杆水平间距1 m，孔径150 mm，杆材为公称直径25 mm的HRB400级钢筋，向下与水平面的夹角为15 °，长度9 m。钢管桩型号为Φ219×10，桩间距500 mm，注纯水泥浆，嵌入坑底以下2 m。基坑北侧剖面图如图2所示。

基坑东侧及南侧采用预应力锚索+围护桩支护方案，基坑设置5道预应力锚索、1道冠梁、5道腰梁、1排围护桩。冠梁尺寸1 100 mm×800 mm。腰梁采用材质为Q235B钢材的双拼25a槽钢。围护桩直径900 mm，桩间距1 800 mm，桩底标高57.2 m。基坑东侧及南侧剖面图如图3所示。

1.4 区间隧道设计

隧道初支采用300 mm厚的C25喷射早强混凝土，二衬采用400 mm厚C40模筑钢筋混凝土。隧道断面设计如图4所示。

2 模型建立

2.1 計算模型

考虑基坑开挖施工过程的复杂性，采用MIDAS_GTS_NX有限单元法三维建模进行应力分析及变形分析。本构模型采用修正摩尔-库伦屈服模型，采用板单元模拟隧道衬砌结构，钻孔灌注围护桩、各层楼板等采用板单元建模，桩基采用植入式梁单元，锚索及锚杆采用植入式桁架单元。土体边界自基坑外边线向外扩3～5倍基坑深度，土体建模X方向总长277 m；土体建模Y方向总长239 m；土体建模Z方向总长66 m。地基支承边界条件为模型底部限制X、Y、Z三个方向位移，模型四周限制法向位移。围护结构Φ219×10的钢管桩，桩间距500 mm，注纯水泥浆，利用等刚度原理可转换为厚度为139 mm的地下连续墙；围护结构直径900@1 500钻孔灌注桩，利用等刚度原理可转换为厚度为594 mm的地下连续墙。岩土参数表如表1所示，结构材料属性表如表2所示。根据设计文件，荷载采用桩顶集中力和筏板顶面均布荷载施加方式，平安塔楼桩顶荷载按20 000+50 000 kN

输入；地下室筏板顶面荷载按50+150 kN输入；计算基坑筏板顶面荷载按200 kN输入。隧道及基坑支护结构模型图如图5所示。

2.2 工况设置

（1）工况1：初始应力场。

（2）工况2：既有商业结构、塔楼施工，位移清零。

（3）工况3：隧道施工，位移清零。

（4）工况4：围护桩施工，基坑东侧围护桩施工。

（5）工况5：第一步开挖，第一道腰梁、锚索、冠梁施工。

（6）工况6：第二步开挖，第二道腰梁、锚索施工。

（7）工况7：第三步开挖，第三道腰梁、锚索施工。

（8）工况8：第四步开挖，第四道腰梁、基坑北侧钢管桩施工、锚杆施工。

（9）工况9：第五步开挖，第五道腰梁、第四道锚索施工。

（10）工况10：第六步开挖，第六道腰梁、第五道锚索施工。

（11）工况11：开挖至基坑底。

（12）工况12：商业裙房结构施工。

（13）工况13：土体回填。

（14）工况14：塔楼未建部分施工，施加上部荷载。

3 数值模拟分析

3.1 钢管桩水平位移

基坑北侧钢管桩水平位移随基坑开挖逐渐增大，水平位移最大值出现在开挖至坑底工况中，最大水平位移为9.55 mm。随着地下室主体结构施工、土体回填及塔楼施工，钢管桩水平位移减小为7.65 mm。

3.2 隧道竖向位移

隧道最大隆起量随开挖过程均匀增大，隆起量最大值为3.31 mm，发生于开挖至坑底工况中。随着地下室主体结构施工、土体回填和塔楼施工隆起量逐步减小为0.72 mm。

3.3 隧道水平位移

隧道水平位移随开挖过程逐渐增大，水平位移最大值为5.23 mm，开挖至坑底工况时出现在计算基坑北侧中部位置。随着地下室主体结构施工、土體回填和塔楼施工水平位移量逐步减小为2.79 mm。

3.4 隧道受力

裙房基坑开挖前隧道负弯矩最大值为69.9 kN·m，当开挖至坑底工况时负弯矩增大至75.33 kN·m。随着地下室主体结构施工和土体回填，偏压程度降低，隧道负弯矩最大值减小为70.2 kN·m。

3.5 商业结构桩基受力

商业结构桩基弯矩最大标准值出现在开挖至坑底工况时，此时弯矩标准值为977 kN·m，轴力标准值为5 115 kN。

4 结论

根据数值模拟计算结果，基坑北侧围护结构水平位移最大值为9.55 mm，隧道竖向位移最大值为3.31 mm，隧道水平位移最大值为5.23 mm，位移值均满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202—2013）[4]相关要求。隧道最大弯矩值为75.33 kN·m，商业结构桩基最大弯矩标准值为977 kN·m，轴力标准值为5 115 kN，根据配筋计算，隧道及商业结构桩基受力均可满足要求。

该项目周边环境条件复杂，单独分析裙房基坑施工对地铁隧道结构的影响不够全面，故通过MIDAS_GTS_NX有限元软件对多项目施工过程进行模拟，通过计算分析可知商业结构桩基对于抑制基坑变形、保护隧道结构发挥了重要作用，基坑北侧围护结构采用刚度较小的锚杆+钢管桩支护方案即可满足对地铁的保护要求，相较于钻孔灌注桩或地连墙支护方案节约了工程造价。

对于复杂周边环境条件下地铁隧道工程项目，MIDAS_GTS_NX有限元软件模拟分析可考虑多项目施工的相互影响，模拟过程更加贴近工程实际情况，该方法对于地铁安全评估具有重要参考价值。

参考文献

[1]郭珅， 赖荫楠. 基坑开挖对既有地铁隧道的安全评估分析[J]. 土工基础， 2023（5）： 773-777.

[2]陈军君， 高科飞， 王庆军， 等. 基于Midas GTS对某隧道硐室施工的数值模拟分析[J]. 土工基础， 2023（3）： 431-434.

[3]祝斌， 任姗姗. 多项目同时施工对地铁结构共同影响分析[J]. 山西建筑， 2022（6）： 156-160.

[4]城市轨道交通结构安全保护技术规范： CJJ/T202—2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2013.