地鐵施工對(duì)新建電力隧道的安全影響分析

韓偉

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京210000）

地鐵施工對(duì)新建電力隧道的安全影響分析

韓偉

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京210000）

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，地下空間也得到了越來(lái)越多的利用，出現(xiàn)了各種地下市政設(shè)施與修建地鐵相互交叉穿越的現(xiàn)象，工程施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，是需要亟待解決的難題。論文以城市地鐵穿越新建電力隧道為工程背景，采用ANSYS有限元進(jìn)行數(shù)值模擬，由于電力隧道是新建結(jié)構(gòu)，因此，在數(shù)值分析中，先進(jìn)行電力隧道開(kāi)挖，然后再分析地鐵隧道的開(kāi)挖對(duì)新建電力隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全影響，所得結(jié)論為后續(xù)工程提供一定的借鑒依據(jù)。

地鐵施工；電力隧道；支護(hù)結(jié)構(gòu)；影響分析

1 引言

近年來(lái)，隨著城市地下軌道交通的快速發(fā)展，城市市政管網(wǎng)臨近地鐵區(qū)間時(shí)有上、下穿地鐵區(qū)間情況的發(fā)生[1～4]，現(xiàn)有工程位于某市地鐵3號(hào)線，電力隧道下穿地鐵區(qū)間隧道，地鐵隧道為盾構(gòu)施工，位于主干大街正下方，電力隧道呈約70°角從其下方斜穿過(guò)主干大街。論文研究地鐵盾構(gòu)施工對(duì)既有電力隧道初支安全性的影響，并采用荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)二襯強(qiáng)度及抗震性能進(jìn)行檢算。地鐵隧道為半徑為3m的圓形斷面，埋深約10.5m，裝配式襯砌厚度為300mm。既有電力隧道在地鐵隧道下方11.65m處，初支和二襯厚度均為250 mm，埋深29.2m。地鐵隧道與電力隧道的位置關(guān)系如圖1所示，電纜隧道斷面圖如圖2所示。

圖1 電力隧道與地鐵交叉斷面示意圖

圖2 電纜隧道斷面圖

2 計(jì)算模式和計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模式

采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析。模擬過(guò)程中新建電力隧道的位移、初支結(jié)構(gòu)采用三維模型進(jìn)行安全性檢算，二襯采用二維荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行強(qiáng)度及抗震性檢算。由于電力隧道是既有結(jié)構(gòu)，因此，在模擬過(guò)程中，先進(jìn)行電力隧道開(kāi)挖，后進(jìn)行地鐵開(kāi)挖。

2.2 地層參數(shù)

各土層的物理力學(xué)參數(shù)由地質(zhì)勘察報(bào)告給出，計(jì)算斷面處地層的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 檢算斷面地層的主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 支護(hù)材料參數(shù)

支護(hù)材料的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

3 電力隧道位移和初期支護(hù)安全性檢算

3.1 有限元模型

為了減小邊界約束效應(yīng)，計(jì)算范圍應(yīng)按左右邊界距離隧道中心線3～5倍的洞涇考慮，底部邊界應(yīng)按底部邊界距隧道底部距離2～3倍的隧道高度考慮。本模型左右20m,下邊界距軌頂面15.7m，模型縱向60m。模型上頂面為自由面，其余邊界面均施加法向約束。模型如圖3、圖4示。其中,地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，掘進(jìn)尺度1.2m，電力隧道采用全斷面法施工。

為消除邊界影響，取模型中部距離地鐵最近處為目標(biāo)斷面，提取該斷面上電力隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的拱頂沉降、水平位移以及底板隆起隨開(kāi)挖步的變化規(guī)律,分析電力隧道開(kāi)挖過(guò)程中的變形以及地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)電力隧道的影響。

圖3 電力隧道和地鐵隧道挖通后的模型

圖4 電力隧道與地鐵隧道位置關(guān)系平面圖

3.2 電力隧道位移分析

電力隧道拱頂沉降隨開(kāi)挖的變化見(jiàn)圖5。

圖5 拱頂沉降與開(kāi)挖步的關(guān)系

電力隧道開(kāi)挖初期，拱頂沉降不大，當(dāng)開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，拱頂沉降急劇增大，之后沉降速率開(kāi)始減小至0。電力隧道貫通后，最終的拱頂沉降值約為2.51cm。地鐵隧道的開(kāi)挖會(huì)對(duì)電力隧道產(chǎn)生影響。隧道開(kāi)挖初期，拱頂沉降值變化不大，當(dāng)開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面附近時(shí)，由于卸載作用，拱頂開(kāi)始出現(xiàn)輕微回彈，地鐵隧道貫通后，回彈量1.6mm左右。

圖6 邊墻中部位移與開(kāi)挖步的關(guān)系

由圖6可知，邊墻中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)同樣是在開(kāi)挖初期變化不明顯，當(dāng)電力隧道開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，產(chǎn)生較明顯的水平位移，然后保持穩(wěn)定，至電力隧道開(kāi)挖完成基本沒(méi)有增長(zhǎng)。而上方地鐵隧道的開(kāi)挖卸載使邊墻產(chǎn)生回彈，但位移值較小，約1mm，在開(kāi)挖完成后基本恢復(fù)原位移值。

圖7 底板隆起與開(kāi)挖步的關(guān)系

由圖7可知，地鐵隧道開(kāi)挖引起了電力隧道的底板隆起，至開(kāi)挖到監(jiān)測(cè)斷面位置時(shí)，底板隆起速率達(dá)到最大，至電力隧道貫通，底板隆起值比電力隧道貫通時(shí)增大約2.5mm。

由此可見(jiàn)，地鐵隧道的施工會(huì)對(duì)電力隧道變形產(chǎn)生影響，其開(kāi)挖引起拱頂回彈和地板隆起的最大值約為2.5mm,影響較小。

3.3 電力隧道初支受力分析

取模型中部（z=-30m）處電力隧道初支單元為研究對(duì)象，提取第一和第三主應(yīng)力，觀察第一和第三主應(yīng)力的主要分布位置以及地鐵隧道的開(kāi)挖對(duì)主應(yīng)力的影響。

主應(yīng)力云圖如圖8～圖11所示。

圖8 電力隧道貫通初支第一主應(yīng)力(Pa)

圖9 電力隧道貫通初支第三主應(yīng)力(Pa)

圖10 地鐵開(kāi)挖后初支第一主應(yīng)力(Pa)

圖11 地鐵開(kāi)挖后初支第三主應(yīng)力(Pa)

可以看出，初支最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在仰拱與邊墻交界處，電力隧道貫通時(shí)的最大拉應(yīng)力值為8.06MPa，地鐵隧道貫通時(shí)的最大拉應(yīng)力在相同的位置，其值為8.02MPa，由此可知，地鐵隧道的開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致初支的最大拉應(yīng)力值減小0.04MPa，是由于地鐵開(kāi)挖卸載的影響，不過(guò)前后差別較小。

初支最大壓應(yīng)力值也出現(xiàn)在仰拱與邊墻交界處，電力隧道貫通時(shí)最大壓應(yīng)力值為26.3MPa，而地鐵隧道貫通后最大壓應(yīng)力值為26.2MPa，相應(yīng)減小了0.1MPa，同樣，前后相差較小，說(shuō)明地鐵隧道的開(kāi)挖對(duì)原有電力隧道影響不大。

4 電力隧道二襯安全性檢算

4.1 荷載確定

組合荷載根據(jù)不同作用方向分別轉(zhuǎn)換成等效節(jié)點(diǎn)力施加在相應(yīng)的單元結(jié)點(diǎn)上。電力隧道所受荷載包括永久荷載、可變荷載和偶然荷載。檢算過(guò)程參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。

4.2 計(jì)算模型

選取最大埋深29.2m處斷面，計(jì)算模型如圖12所示。

圖12 二襯支護(hù)結(jié)構(gòu)平面計(jì)算簡(jiǎn)圖及單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)

4.3 標(biāo)準(zhǔn)荷載組合作用下結(jié)構(gòu)安全性分析

1）荷載

通過(guò)泰沙基理論求得：

對(duì)應(yīng)得到側(cè)壓力系數(shù)為0.39。29.2m深度的壓力為：

式中，γm為容重加權(quán)平均值，kN/m3；φm為內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值；σ為豎向壓力，kN/m2；e為水平壓力，kN/m2。

2）計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)計(jì)算彎矩和軸力具體結(jié)果如圖13所示。

圖13 結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力

根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明材料可知，二襯的斷面配筋率為0.628%，保護(hù)層厚度為35mm。

根據(jù)圖13可知二襯受力最大部位在仰拱中部處，彎矩為25.913 kN·m，軸力為179.89kN。此處安全系數(shù)最小,為6.44。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不得小于2.0。計(jì)算結(jié)果表明，采用泰沙基土壓力荷載，襯砌結(jié)構(gòu)各截面具有較大的安全儲(chǔ)備。滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，二襯結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，裂縫寬度允許值為0.2mm，由計(jì)算結(jié)果可知裂縫寬度最大值為0.1652mm，滿足規(guī)范要求。

4.4 地震荷載組合作用下結(jié)構(gòu)安全性分析

1）荷載

本項(xiàng)目中，邊墻及上拱部質(zhì)量m1為4031g；仰拱質(zhì)量m2為1837g；隧道高H為2.55m；仰拱高f為0.7m；隧道垂直覆土體質(zhì)量m上為67932g；震前、震后側(cè)向壓力系數(shù)λa、λa'分別取0.446和0.442；隧道垂直覆壓力q1為251.6kN/m2。

通過(guò)靜力等效，求得地震荷載：

2）計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)計(jì)算彎矩和軸力具體結(jié)果如圖14所示。

圖14 結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，地震荷載組合下對(duì)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)進(jìn)行檢算，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不得小于2.0。計(jì)算結(jié)果表明，隧道結(jié)構(gòu)各處最小安全系數(shù)為6.15，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，且有一定的安全儲(chǔ)備，符合規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

1）地鐵隧道的施工會(huì)對(duì)電力隧道變形產(chǎn)生影響，其開(kāi)挖引起拱頂回彈和地板隆起的最大值約為2.5mm,影響較小。

2）電力隧道完成后，上方地鐵隧道盾構(gòu)施工對(duì)原有隧道結(jié)構(gòu)影響不大，初支受力最大變化為0.1MPa，且拉應(yīng)力較原來(lái)為減小的趨勢(shì)，初支結(jié)構(gòu)安全。地鐵施工使電力隧道產(chǎn)生最大位移約為2.5mm，影響較小，原結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載組合和偶然荷載組合2種形式，采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，對(duì)隧道二襯在使用階段的強(qiáng)度和抗裂性能進(jìn)行檢算，并對(duì)其在地震荷載下進(jìn)行安全性檢算，根據(jù)檢算結(jié)果，二襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)滿足強(qiáng)度要求及抗裂要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。

【1】曾遠(yuǎn)，李志高，王毅斌.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005(4):642-645.

【2】王濤.緊鄰地鐵區(qū)間隧道的深基坑施工變形研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2007.

【3】王印.深基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰地鐵車站影響的位移分析及施工保護(hù)措施研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

【4】王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平.基坑開(kāi)挖卸載對(duì)地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2004，25（增刊2）:251-255.

Analysis on the Influence of Subway Construction on the New Power Tunnel's Safety

HAN Wei
(JiangsuTransportationInstituteGroupCo.Ltd.,Nanjing 210000,China)

Withtherapiddevelopmentofurbaninfrastructure,undergroundspacehasalsobeenusedmoreandmore,andvariousnderground municipalfacilitiesandsubwaysintersecteachother.Theconstruction isofhighdifficultyandrisk.Theproblemsneedtobesolved.Thispaperis set in the engineeringbackground ofthe urban subwaycrossing the new-built power tunnel.ANSYS finite element isapplied in the numerical simulation.Becausethepowertunnelisanewstructure,inthenumericalanalysis,theexcavationofpowertunnelisthefirst,andthentheinfluence ofthe excavation ofthe subwaytunnel on thesafetyofthe newly-built power tunnel supporting structure is analyzed.The conclusions provide somereferenceforthefollow-upprojects.

subwayconstruction;powertunnel;supportingstructure;influenceanalysis

U231+.3；U451

A

1007-9467（2016）10-0059-04【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.027

2016-09-22

韓偉（1982～），男，工程師，湖北隨州人，從事隧道工程設(shè)計(jì)研究。