上跨地鐵人防工程施工安全性分析

朱 敏

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

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上跨地鐵人防工程施工安全性分析

朱 敏

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

摘要：結(jié)合蘭州市軌道交通1號線一期工程奧體中心站附屬人防工程開發(fā)項目，采用Flac軟件，對基坑施工步驟采用三維地層結(jié)構(gòu)模型模擬，分析人防工程施工引起的既有隧道的變形及內(nèi)力，評估隧道結(jié)構(gòu)的安全性，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：人防工程；既有隧道；施工安全；數(shù)值分析

1 工程概況

1.1 軌道交通1 號線及奧體中心站概況

蘭州軌道交通1 號線一期工程奧體中心站位于西固區(qū)規(guī)劃深安大橋西側(cè)，沿規(guī)劃路東西走向布置。車站周邊現(xiàn)狀為農(nóng)田、民房及少部分水塘，民房現(xiàn)已拆遷完畢。奧體中心站為明挖地下三層島式站臺車站，地下一層預(yù)留物業(yè)開發(fā)空間，地下二層為站廳層，地下三層為站臺層；車站總長216.95 m，站臺寬度13 m，標準段寬度20.2 m。

1.2 站點人防工程開發(fā)設(shè)計概況

奧體中心站人防工程擬開發(fā)范圍為軌道交通奧體中心站地下一層及兩端區(qū)間上方空間。開發(fā)范圍西端為奧體中心站西端向西延伸209.6 m至車站西側(cè)規(guī)劃十字路口下，東端為奧體中心站東端向東延伸193 m至深安大橋橋頭規(guī)劃丁字路口下。人防工程平時開發(fā)為地下一層商業(yè)。開發(fā)總長度619.55 m，標準段結(jié)構(gòu)外輪廓寬度50 m，總建筑面積約42 384.2 m2。

1.3 人防工程與區(qū)間隧道位置關(guān)系

根據(jù)工程整體設(shè)計規(guī)劃，盾構(gòu)區(qū)間隧道先期施工。后期開發(fā)的人防工程位于已建區(qū)間隧道上方，走向與區(qū)間隧道平行。沿著大里程方向隧道埋深逐漸增大，基坑底板與隧道拱頂凈距也逐漸增大，其中YDK9+482m處凈距最小為3.3 m，YDK10+100處凈距為6.3 m。

基坑開挖寬度50 m，開挖深度7.3～7.7 m，采用放坡開挖，放坡系數(shù)1∶1，如圖1所示。

圖1 人防工程與隧道位置關(guān)系

1.4 工程地質(zhì)和水文條件

本場地鉆探深度內(nèi)地層為：地表為0.5～12.3 m人工填土；其下為第四系全新統(tǒng)厚度0.5～1.4 m的黃土；厚度0～11.8 m第四系全新統(tǒng)(Q4)卵石；厚度30～300 m第四系下更新統(tǒng)(Q1)卵石。各地層的物理力學參數(shù)見表1和表2。

場區(qū)地下水主要賦存于卵石層中，地下水類型屬蘭州斷陷盆地松散巖類孔隙潛水。勘察期間地下水位埋深4.5～7.7 m，相應(yīng)地下水位高程1 523.14～1 524.49 m。

2 上跨工程施工變形控制基準

依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50911—2013)[1]對既有隧道結(jié)構(gòu)變形控制要求，結(jié)合其它類似工程經(jīng)驗、本工程實際特點和施工等綜合影響因素，確定本工程變形控制標準如表3所示，并將控制值的80%作為報警值、70%作為預(yù)警值。

3 三維數(shù)值計算模型

計算采用Flac軟件，對基坑施工步驟采用三維地層結(jié)構(gòu)模型模擬。分析人防工程基坑及結(jié)構(gòu)施工引起的既有區(qū)間隧道的變形及內(nèi)力，評估既有區(qū)間隧道的安全性。

表1 物理力學綜合設(shè)計參數(shù)

表2 抗剪強度指標建議值

表3 上跨工程施工既有隧道結(jié)構(gòu)變形控制基準

3.1 計算假定

(1)基坑開挖施工期間，既有區(qū)間隧道僅考慮非抗震組合工況，不考慮地震作用。

(2)地鐵隧道、基坑、土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

(3)隧道結(jié)構(gòu)、地層巖土體為均質(zhì)各向同性材料，地質(zhì)勘查報告給出物理力學參數(shù)準確可靠。

3.2 計算模型

以地鐵區(qū)間隧道軸線方向為y軸，垂直隧道軸線為x軸，豎直方向為z軸，模型在y軸方向上長40 m，在x軸方向上長100 m，z軸方向上長40 m。根據(jù)區(qū)間隧道及人防工程的空間位置關(guān)系，建立三維計算模型，計算模型網(wǎng)格劃分效果如圖2和圖3所示，模型共劃分為369 852個單元，62 141個節(jié)點。

3.3 計算參數(shù)、計算荷載及本構(gòu)模型

3.3.1 計算參數(shù)

計算模型中各土層的計算參數(shù)根據(jù)設(shè)計單位提供的文件選取，見表1和表2所示。地鐵隧道盾構(gòu)管片采用預(yù)制鋼筋混凝土管片：強度等級C50，抗?jié)B等級P12；管片厚度為350 mm，環(huán)寬1 200 mm。

3.3.2 計算荷載

計算荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力和施工機械荷載(按20 kPa考慮)[2]。

3.3.3 邊界條件

模型底部施加豎向位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面。

3.3.4 單元類型及破壞準則的選取

地層、圍護結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道管片均采用實體單元模擬。地層在開挖過程中考慮其塑性變形，采用Mohr-Coulomb準則，圍護結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道管片僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

3.4 計算工況

為了減小計算工作量，選取隧道埋深最淺、人防工程與隧道凈距最小的50 m段(YDK9+482～YDK9+532)進行數(shù)值模擬。計算工況分為三工況：分別為工況1，基坑開挖前的初始工況；工況2，基坑開挖；工況3，結(jié)構(gòu)施工與回填。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 基坑開挖前的初始狀態(tài)

初始工況受的荷載主要為地層及結(jié)構(gòu)的自重荷載。通過對初始狀態(tài)的模擬，得到地層和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力狀態(tài)，其中既有隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為0.47 MPa，最大壓應(yīng)力3.34 MPa，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)受力良好，滿足正常使用要求。

4.2 基坑開挖

通過本段基坑開挖施工的數(shù)值模擬，可得地層及隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)。如圖4和表4所示，基坑開挖施工后，既有隧道隆起變形4.15 mm；隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力1.06 MPa，最大壓應(yīng)力2.54 MPa。結(jié)構(gòu)變形滿足變形控制基準，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力變化較大，但結(jié)構(gòu)受力安全。

4.3 結(jié)構(gòu)施工及回填

根據(jù)區(qū)段結(jié)構(gòu)澆筑施工及回填施工的數(shù)值模擬，可得地層及隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)如圖5、圖6及表4所示，既有隧道隆起變形2.57 mm；隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力0.36 MPa，最大壓應(yīng)力2.57 MPa。結(jié)構(gòu)變形滿足變形控制基準，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力變化較大，但結(jié)構(gòu)受力安全。

圖2整體模型 圖3區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)模型 圖4 結(jié)構(gòu)及地層豎直方向最大變形

表4 人防工程施工各工況區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形及受力統(tǒng)計

工況 隧道變形狀態(tài)/mmx方向y方向z方向 隧道受力狀態(tài)/MPa 最大拉應(yīng)力最大壓應(yīng)力施工前0000.473.34基坑開挖1.190.194.151.062.54結(jié)構(gòu)施工及回填1.000.082.570.362.57

圖5結(jié)構(gòu)及回填施工區(qū)間隧道最大主應(yīng)力圖6 結(jié)構(gòu)及回填施工區(qū)間隧道最小主應(yīng)力

5 結(jié)論

(1)人防工程基坑開挖深度為7.3～7.7 m，基坑底板與區(qū)間隧道拱頂?shù)膬艟酁?.3 m時，人防工程施工引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向最大隆起變形為4.15 mm，最大橫向水平變形為1.19 mm，最大縱向水平變形為0.19 mm，滿足變形控制要求。

(2)人防工程施工引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.06 MPa，最大壓應(yīng)力為3.34 MPa。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)[3]，C50混凝土的抗拉和抗壓強度設(shè)計值分別為1.89 MPa和23.1 MPa，隧道結(jié)構(gòu)受力滿足混凝土強度要求。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50911—2013 城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013

[2]中華人民共和國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012

[3]中華人民共和國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

An Analysis of the Security of the Civil Air Defense Project Spanning an Existing Subway Tunnel

Zhu Min

( The Engineering Design and Consultation Group Co. Ltd.of the Railway Building Corporation of China,Beijing 100055,China )

Abstract:With the civic air defense project attached to the first-term project ——the Olympic Sports Center Station of the 1st Rail Transit Line of Lanzhou City——as a practical example,a 3-dimensional stratum structure model is adopted to simulate the construction steps of the foundation pit,with the possible civic-air-defense-project-caused deformation and internal forces of the existing tunnel analyzed,upon the basis of which the security of the existing tunnel structure is evaluated.The paper may serve as a useful reference for other similar projects.

Key words:air defense project;existing tunnels;construction security;numerical simulation analysis

收稿日期：2016-03-01

作者簡介：朱敏(1988—)，女，工程師，主要從事隧道與地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作zhuminhappyrose@126.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.013

中圖分類號：U452.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3953(2016)03-0048-03