地下交叉工程下穿有軌電車路基的影響分析

賓勝林 趙偉

摘 要：地鐵正線及豎井橫通道交叉工程下穿有軌電車路基屬于重要風險源，其空間位置關系復雜，區間、橫通道施工均會對有軌電車路基產生影響，且影響時機及程度很難判定。為此，基于數值分析方法對交叉工程下穿有軌電車路基施工全過程進行模擬，評價交叉工程建設過程中及建成后對既有有軌電車路基的影響情況。計算結果表明，下穿段落橫通道采用四臺階法、雙排小導管超前加固，區間采用上下臺階法、單排小導管超前加固，能有效控制有軌電車路基沉降并保證有軌電車運營安全；橫通道垂直下穿階段對有軌電車路基沉降影響最大，占總沉降的46.6%；路基傾斜（不均勻沉降）最大值發生在區間3開挖完成、區間4未開挖階段，需加強此時段路基監控量測。加強超前支護、合理選擇施工工法是控制路基沉降的有效手段。

關鍵詞：隧道工程；地鐵；豎井橫通道；施工過程；數值模擬；影響分析

中圖分類號：U452 文獻標志碼：A

文章編號：1008-1534（2018）05-0322-07

1 工程背景

近年來，隨著中國公共交通的大力發展，地鐵項目工程逐年增多，新建和既有工程結構之間的相互影響隨之而來[1-3]。特別是復雜交叉工程下穿既有建（構）筑物的情況[4-6]，既有工程結構的沉降[7-8]及新建工程結構的變形控制[9-10]尤為重要。目前，針對地表沉降，常見的分析方法有經驗公式法、理論解析法、模型試驗法及數值分析法[11-12]。楊慶剛等[13]應用ABAQUS有限元分析軟件建立分析模型，分析了超淺埋隧道下穿鐵路引起變形敏感度的情況。王小林等[14]通過數值計算方法分析新建隧道下穿施工對既有鐵路的影響。茍德明等[15]分析了暗挖隧道施工對高速路基沉降的影響。韓煊等[16]研究了Peck公式在中國隧道施工地面變形預測中的適用性。

筆者結合沈陽地鐵9號線工程奧體中心站—奧體東站區間下穿既有2號線有軌電車工程，基于數值分析得出的相關結論，識別地鐵施工過程中的風險，提出保證地鐵施工、既有有軌電車運營安全的建議。

2 數值分析模型

2.1 計算模型及邊界條件

2.1.1 計算分析模型

奧體中心站—奧體東站區間西起奧體中心站，向東下穿既有2號線奧體中心站后，沿渾南四路東沿，至奧體東站，在奧體東站前設置單渡線。該區間左線長度為1 130.951 m，右線長度為1 120.266 m，全部采用礦山法施工。區間覆土厚度7.2～18.3 m。區間及其1號豎井橫通道下穿既有2號線有軌電車，為該區間重要風險源。

既有有軌電車路基沉降主要受2方面影響：一是橫通道開挖，二是橫通道初襯開洞后臨近區間隧道正線開挖。本文主要對橫通道下穿有軌電車位置以及區間隧道下穿有軌電車位置沉降情況作具體分析，因此模型需要同時考慮橫通道開挖以及與橫通道連接區區間正線隧道的開挖。豎井橫通道長約28 m，橫通道兩側區間隧道分別考慮30 m長度。考慮邊界效應影響，計算模型沿橫通道方向取50 m，垂直橫通道方向取60 m。隧道上方地表按實測地面數據建模，隧道下方取橫通道底部以下13 m。本工程地下水位較深，地層因降水引起的有效應力較小，土體排水固結引起的差異沉降較小，因此不考慮地下水對沉降的影響。

2.1.2 計算結構模型

計算軟件采用MIDAS-GTS NX，建立地層結構模型，地層采用Mohr-Coulomb屈服準則，相應的圍巖力學參數見表1，有限元模型及土體內部結構模型見圖1。本模型首先采用四臺階法完成橫通道開挖，然后采用上下臺階法按順序依次完成4個區間隧道開挖，為保證區間隧道掌子面距離，每條區間隧道完成后，開始下一條區間隧道開挖。

地層初始應力為自重應力。由于計算模型中橫通道、區間隧道以及加固圈等相交位置較為復雜，因此劃分土體為四面體結構化網格。導管超前注漿加固采用增強加固圈范圍內土體參數的方式。在施工步中更改單元屬性，模擬加固圈形成步驟；初期支護、臨時支護采用板單元模擬；最終建立的模型共有185 971個單元。

2.1.3 計算模型參數

1）地層參數

根據鉆探結果，按照其沉積年代、成因類型及巖性，此范圍內自上而下的地層為粉質黏土③121、粗砂③72、礫砂③83、圓礫③93、礫砂④84、圓礫④94，沿線地層分布較均勻。穿越有軌電車的橫通道和區間隧道主要位于④94圓礫層及④84礫砂層。為保證隧道中的施工安全，隧道拱部采用1.8 m長Φ32超前小導管超前加固措施，以降低橫通道及區間隧道開挖對有軌電車路基的影響。小導管注漿參數按照施工單位提供的沈陽地區相似地層的試驗數據選取，土層物理力學參數見表1。

2）設計參數

豎井橫通道垂直下穿既有有軌電車路基，拱頂與有軌電車路基凈距14.1 m；區間隧道拱頂與有軌電車路基凈距16.1 m；區間隧道左線中線距輕軌路基中線10.6 m，右線中線距輕軌路基中線6.4 m；豎井與輕軌路基凈距10.1 m。 豎井、橫通道、區間隧道與有軌電車相對位置如圖2所示。

豎井初期支護采用C25噴射混凝土，厚度300 mm，鋼格柵間距0.5 m；橫通道初期支護采用C25噴射混凝土，厚度300 mm，二襯釆用C40鋼筋混凝土，厚度400 mm，橫通道穿越有軌電車段及前后5 m范圍采用雙排小導管進行超前支護，其他位置采用單層小導管進行超前支護。區間隧道初期支護采用C25噴射混凝土，厚度250 mm，格柵為0.5 m，隧道二襯釆用C40鋼筋混凝土，厚度300 mm，區間隧道采用單層小導管進行超前支護，具體支護參數見表2。

2.2 施工工序及模擬

有軌電車路基先期施工完成，按照既有結構考慮。1號豎井橫通道施工工序（見圖3，圖中序號為開挖順序編號，下同）：超前小導管注漿加固；四臺階法開挖土體，開挖進尺為0.5 m，控制各臺階開挖面距離為6 m，中間增設水平支撐。區間隧道施工工序（見圖4）：拆除橫通道影響范圍內的水平支撐及橫通道初支；進行區間隧道拱頂超前小導管注漿加固；上下臺階法開挖土體，開挖進尺為0.5 m，開挖面拉開至10 m，完成一條區間隧道后開始開挖下一條區間隧道。關鍵施工步驟模擬如圖5、圖6所示。

3 計算結果分析

在計算得到橫通道以及臨近區間隧道變形及其施工引起的有軌電車路基沉降量的基礎上，通過對位移的分析，確定施工工法的正確性和結構的安全性。

3.1 橫通道及臨近區間隧道安全性評價

橫通道及區間結構變形云圖如圖7、圖8所示。

橫通道襯砌拱頂最大沉降量為0.91 mm，仰拱最大隆起為1.58 mm；區間隧道襯砌拱頂最大沉降量為0.77 mm，仰拱最大隆起為1.30 mm，均滿足《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）對隧道支護結構變形要求，變形控制標準如表3所示。結果表明，橫通道及區間隧道設計制定的支護襯砌參數基本合理，施工采取的工程措施得當。

3.2 有軌電車路基安全性評價

整體模型及路基位移情況如圖9、圖10所示。

根據數值分析計算結果，有軌電車路基沉降最大位置為有軌電車與橫通道垂直相交位置，豎井橫通道垂直下穿有軌電車后，有軌電車路基最大沉降量為3.06 mm；區間隧道1開挖完成后，有軌電車路基最大沉降量為3.91 mm；區間隧道2開挖完成后，有軌電車路基最大沉降量為4.69 mm；區間隧道3開挖完成后，有軌電車路基最大沉降量為5.76 mm；區間隧道4開挖完成后，有軌電車路基最大沉降量為6.56 mm。結果表明，橫通道垂直下穿階段對有軌電車路基沉降的影響最大，占總沉降的46.6%，其余區間隧道開挖對有軌電車與橫通道垂直相交位置地表沉降影響在1 mm左右。新建交叉工程引起有軌電車累計最大沉降量為6.56 mm。本項目輕軌道床為整體道床，滿足《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）對既有鐵路路基沉降控制標準，沉降控制標準如表4所示。根據產權單位下發的渾南新區現代有軌電車2號線聯系單相關要求，既有電車軌道沉降值按10 mm控制，計算結果滿足要求。結果表明，下穿段落橫通道采用四臺階開挖、雙排小導管超前加固，區間采用上下臺階法開挖、單排小導管超前加固，既有有軌電車路基受交叉工程施工的影響可控。

3.3 橫通道及臨近區間施工對有軌電車的影響過程分析

為了全面分析既有有軌電車路基的沉降情況，提取5個路基沉降敏感點作為控制點。通過對計算模型開挖過程結果進行提取，繪制橫通道下穿有軌電車路基中心位置①及路基邊界位置②，區間隧道4下穿有軌電車路基中心位置③，區間隧道2與區間隧道3中間距離橫通道5 m位置④及15 m位置⑤沉降隨施工步變化的時程曲線。各控制點位置見圖11。

通過分析可得到如下結論。

1）各控制點沉降時程曲線見圖12—圖16。可見控制點①與控制點②沉降受橫通道開挖影響較大，橫通道施工引起的沉降百分比（該段施工引起的沉降量占沉降總量比例）分別為45.3%和45.1%；控制點③主要受橫通道開挖及區間隧道4開挖影響，其沉降百分比分別為29.6%和40.8%；控制點④受橫通道、區間隧道2及區間隧道3影響均較大，其沉降百分比分別為35.6%，20.3%和23.7%；控制點⑤受區間隧道2及區間隧道3影響較大，其沉降百分比分別為30.6%和38.8%。施工過程中可根據計算結果，在施工不同階段合理加密地表監測，對不同階段對應的敏感控制點重點觀察，保證既有有軌電車路基運營安全。

2）采用控制點①與控制點②的沉降差計算有軌電車路基表面傾斜，得到施工過程中的軌道傾斜時程，見圖17。可見有軌電車不均勻沉降最大值發生在區間3開挖完成、區間4未開挖時段，最大差異沉降量為0.006%，滿足《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）對既有鐵路路基差異沉降控制標準（路基差異沉降控制值宜小于0.04%）。

3）橫通道開挖對其正上方及5 m范圍內影響較大，沉降量達2 mm，在距離橫通道15 m位置沉降量不到1 mm。根據計算結果，可酌情加密橫通道兩側15 m范圍內的監測點。

4）各區間隧道開挖對橫通道上方沉降影響不大，均在1 mm以內，而對其自身上方影響較大，沉降量達1 mm。

4 結 語

通過數值分析方法研究交叉工程下穿既有有軌電車路基，能夠在復雜的空間、施工工序條件下清晰地反映交叉工程下穿過程中各階段的沉降影響程度、影響范圍，準確地判斷路基表面傾斜的不利時機，為合理制定監控量測方案、既有有軌電車運營安全提供依據。筆者僅考慮了靜載作用下的影響分析，未考慮電車動載耦合影響，有待進一步研究。

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