摘要：本文结合某市政人行过街通道明挖基坑工程位于既有地铁既有隧道的工程案例，利用三维数值模拟软件Midas/GTS对该基坑工程施工全阶段过程引起的地铁隧道结构的变形和内力进行建模分析，根据分析结果判断既有隧道工程的安全性，并给出相关优化建议。对比数值模拟结果与地铁保护要求的相关数据，地铁隧道变形和裂缝均满足地铁保护要求，结构安全。
关键词：人行通道；基坑开挖；盾构隧道；数值模拟；地铁保护
1工程概况
1.1轨道交通工程
既有地铁隧道采用盾构法施工，人行地道处区间线间距为14m左右，最大坡度26‰，最小坡度3.3‰。区间穿越的土层主要有5-3-4黏土、10-7A-1全风化页岩、10-1-3中风化石灰岩，隧道顶部埋深9.8~19.5m。隧道结构采用单层预制钢筋混凝土管片衬砌，内径5500mm、厚度350mm、环宽1.2m。管片采用错缝拼装，在纵缝接触面设有榫槽。
1.2人行地道工程
人行地道平面呈反“C”形布置，通道以暗埋段形式穿越御景路，并在御景路人行道边红线外侧设置平行于御景路走向的坡道。坡道敞开段采用U型槽结构，主通道暗埋段及坡道段暗埋段采用单室箱型结构，通道中部设置单泵房，主通道基坑深8.7m。人行通道底部开挖面至左线、右线隧道顶部竖向距离均为9.4m。围护桩至隧道竖向最近距离为5.28m。
1.3轨道交通结构现状调查及评估
根据轨道交通运营第一期沉降成果资料，施工影响范围内本地铁隧道沉降及收敛情况统计左线监测沉降值最大值为3.16mm，施工影响范围内右线监测隧道沉降值最大值为5.66mm。监测数据显示施工影响范围内，左线监测收敛值横径最大值为0.7mm，左线监测收敛值竖径最大值为-0.7mm。施工影响范围内右线监测隧道收敛值横径最大值为0.8mm，右线监测收敛值竖径最大值为-0.7mm。从监测数据得出，区间隧道在施工影响范围内收敛现状状况良好。
2人行地道基坑工程设计
2.1基坑主要尺寸
基坑主通道长92m，两侧爬坡段长32m，基坑最深8.7m，平面呈反“C”形布置。
2.2主要设计参数
根据基坑设计方案，基坑最深约8.7m，围护结构采用Φ800@1200钻孔灌注桩+Ø650@450三轴搅拌桩止水帷幕，竖向设置一道600×800混凝土支撑间距约7.5m。围护桩兼做抗浮，爬坡段采用抗拔桩。
2.3主要设计原则
①基坑设计使用年限2年；②基坑安全等级为2级，重要性系数为1.0；③基坑变形保护等级为2级，稳定性安全系数按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）执行；④抗浮安全系数不小于1.15，抗浮设计水位取地面下0.5m。
3数值分析
3.1计算模型
为分析顶管施工对既有地铁工程的影响，采用Midas/GTS三维有限元软件进行数值模拟分析，考虑到工程模拟精度与效率[1]，土层模型尺寸长×宽×高分别定为140m×160m×50m，模型节点85070个，单元112484个。在模型中，根据设计图纸及详勘资料：土体从地表往下简化为4层，采用实体单元混合网格模拟，计算分析土层采用弹性模型、M-C模型和修正M-C模型，围护结构、盾构管片、基坑外旋喷桩加固采用2D板单元（shellelement）模拟[2]。计算模型如图1所示。计算所用参数见表1和表2。
3.2初始与边界条件
边界条件：模型四周边界约束水平方向位移，竖直方向位移自由；底部XYZ方向全约束，为固定边界条件；顶端地面为自由边界[3]。初始条件：模拟的初始条件为地铁隧道施工完毕，并与地层达到稳定平衡状态，作为工程施工的初始条件。
3.3施工模拟工况
为了进一步降低通道施工对下方地铁隧道结构影响，考虑隧道土体分段开挖的施工方案，减小一次性大开挖造成的卸载隆起效应，本计算采用Midas/GTS三维有限元模拟软件进行分析建模，考虑重要的施工步骤，简化合并相对次要的施工过程[4]，本次模拟施工步骤（工况）主要分为10个部分，如表3所示，本文取最不利工况结果。
3.4计算结果分析
分别对10种工况进行了有限元数值分析，将各工况隧道结构变形计算结果总结如图2-图4所示，由图中数据分析可得出以下几点结论。①通道施工引起的隧道结构变形总体较小，最大不超过1mm；②一期工程施工影响较小，对隧道影响可忽略不计；③施工过程工况9对既有地铁隧道变形影响最大，水平位移最大值为0.63mm，隆起最大值为1.07mm；④施工对隧道右线影响相对较大，与上方基坑开挖体量较大相对应。选取工况9（最不利工况）计算结果见图5~图7。隧道内力复核，选取最不利工况9右线隧道最不利断面管片变形结果进行裂缝验算分析，分析结果如表4，最不利工况计算云图如图8。根据表4经对比施工前后管片弯矩变化弯矩、轴力稍微增加，但配筋仍可满足规范要求。可见施工对管片应力变化影响较小，可忽略。
4结语
①结合类似工程经验，为减小基坑施工对下卧隧道的影响，基坑开挖采取分段施工的措施，施工引起隧道最大上浮量不超过0.9mm，结构回筑完成后，隧道隧道上浮为0.52mm，能够满足对隧道的保护要求。②经有限元分析模拟，工况9开挖时隧道的影响较大，应加强该阶段基坑施工控制。③取消原方案抗拔桩设置，减少桩基对隧道的影响，基坑敞口段利用围护桩兼做压顶梁的方式解决抗浮，无法设置压顶梁部位采用配重法解决抗浮。④基坑施工前应编制详细的降水方案，基坑周边补充设置水位观测井（检验止水帷幕效果），并设置部分回灌井，监测御景路道路及周边管线的沉降变形。降水期间应根据隧道变形监测情况，及时启动回灌措施。⑤为减少隧道的变形影响，建议左线隧道正上方基坑与右线上方基坑分期施工。待左线隧道正上方结构施工完毕及覆土回填后，再进行右线基坑的施作。⑥为准确掌握桩基和基坑开挖过程中盾构隧道的变形，应委托有资质第三方监测单位编制详细的监测方案，进行施工过程中的严密监测。
作者：茅燕兵 单位：广州地铁设计研究院股份有限公司