新建電力隧道對既有地鐵車站結構的沉降影響分析

耿俊巖

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

地下空間的建設能夠很好地解決日益增長的交通需求。在地下空間不斷開發利用的過程中，上下交疊形式的交通線路開始不斷地出現，成為地下交通一個新的發展方向。已有許多學者進行了相關分析，白廷輝等[1]對上海地鐵一、二號線隧道交叉施工的安全性進行了初步分析，并提出了近距離隧道施工的保護措施；邵華等[2]基于實測數據，分析了盾構施工對已運營隧道的影響；陳亮等[3]對新建隧道近距離上穿原有隧道造成的沉降影響進行分析，得出了既有隧道的沉降規律。近些年，隨著有限元分析軟件的發展，數值模擬方法開始在隧道施工中得到應用。侯炳暉等[4-5]將數值模擬應用于淺埋隧道及地鐵區間隧道施工中。郭紅軍[6]利用有限元軟件對隧道結構受力進行了分析。但是，現有數值模擬案例中，少有對超小凈距隧道工程的研究。以北京某擬建電力隧道穿越地鐵5號線崇文門車站為工程背景，運用數值模擬方法研究新建地下工程對既有地鐵車站結構的影響。

1 工程概況

新建電力隧道L2線從崇文門地鐵車站上方通過，最小覆土厚度為4.232 m，最大為9.772 m，最大埋深為13.072 m。最小縱坡為0.5%，最大為20.0%，距崇文門地鐵站主體結構1.0 m。崇文門站結構為復合式襯砌，組件的重要性系數為1.1，結構安全等級為一級。L2線均為淺埋隧道，標準截面為2.0 m×2.3 m(寬×高)。地層從頂部到底部依次為雜填土、素填土、粉質黏土、黏土、粉土、粉砂，均位于地下潛水位以上。崇文門車站及新建隧道截面如圖1所示。

圖1 崇文門車站及新建隧道截面示意(單位：mm)

2 數值模擬

2.1 相關參數選取

根據新建電力隧道范圍內的地質勘察數據，勘探深度范圍內的地層為第四系全新統人工堆積雜填土、素填土，第四系全新統沖洪積粉質黏土、黏土、粉土、粉砂。模型所取地層參數見表1。

荷載可分為恒定荷載和活荷載。恒定荷載系數為1.35，包括結構自重和圍巖壓力；活荷載系數為1.4，包括道路車輛荷載(20 kN/m2)，地鐵車輛荷載(33 kN/m2)，人群荷載(4 kN/m2)。所有的荷載均按照《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)[7]和工程資料取值。

表1 模型計算參數

按照荷載組合Ⅰ(路面荷載+車輛荷載+人群荷載)加載，電力隧道開挖引起地鐵車站結構最大隆起值為1.29 mm；按照荷載組合Ⅱ(路面車輛荷載+人群荷載)加載，地鐵結構的最大隆起值為2.06 mm。由此可見，荷載組合Ⅱ產生的沉降較大，故選用荷載組合Ⅱ來分析電力隧道開挖對地鐵車站結構安全性的影響。

2.2 三維實體模型建立

采用ANSYS軟件建模，模型尺寸為：180 m×60 m×30 m(長×高×寬)。邊界條件為：將地層表面設置為自由面，下邊界為垂直約束，其他方向為水平約束。假設巖體為理想彈性介質，采用實體單元(Solid45)模擬地鐵結構及周圍土體，并對其進行離散化。采用不考慮材料非線性的彈性(Elastic)模型模擬圍巖。采用桿單元來模擬錨桿，通過連接單元將其和圍巖連接在一起。本次模擬采用映射網格劃分，網格劃分過程包括：定義單元屬性、設定網格尺寸控制、執行網格劃分[8-9]。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.3 空間模型計算工況和計算步

由電力隧道設計起點西側開挖，單側開挖總長度為60.5 m。考慮施工安全及工期的要求，采用全斷面暗挖，每次進尺約3～6 m，總共15步。土體開挖采用“單位生死法”模擬，首先對1號土體進行開挖，然后“殺死”1號土體范圍內的單元，接下來開挖2號土體，然后“殺死”2號土體范圍內的單元，激活1號區域內隧道初期支撐單元，并改變材料參數，模擬其初期支護。以此類推，直到第15步結束(計算中沒有考慮二次襯砌的影響[10-11])。

3 沉降規律分析

3.1 地表沉降規律研究

選取30 m×30 m范圍作為考察區域，分析該區域地表沉降。根據模擬結果，地表最大沉降值的變化如圖3所示。由圖3可知，地鐵結構最大沉降為-5.845 mm，發生在電力隧道第13開挖步，距離設計起點52～55.5 m范圍內。最大沉降差為2.447 mm，發生在電力隧道第5開挖步，距設計起點24.8～29.5 m范圍內。

圖3 地表沉降最大值隨開挖的變化

3.2 地鐵車站結構變形規律研究

(1)最大沉降值隨開挖步的變化

新建電力隧道開挖時地鐵結構的最大沉降值變化如圖4所示(隆起用正值表示，沉降用負值表示)。地鐵結構最大隆起值為2.063 mm，發生在電力隧道第14開挖步前，距離設計起點55.5～60.2 m范圍內；最大沉降差為1.473 mm，發生在電力隧道第5開挖步，即距離設計起點24.8～29.5 m范圍內。

圖4 地鐵結構隨開挖產生最大沉降值

(2)縱向沉降變化

為考察地鐵結構沿其縱向的沉降變化，設置了9個考察點(5倍電力隧道寬度范圍內)，考察點沉降情況如圖5所示，由圖5可知，電力隧道開挖時，地鐵結構的縱向沉降相對均勻，對地鐵結構的縱向影響不顯著。

圖5 地鐵結構縱向沉降分析

(3)橫向沉降變化

為研究地鐵結構沿其橫向的沉降變化，選擇地鐵結構最危險截面上的14個點作為研究點[12-15](如圖6所示)。其中，由1～10考察點分析其豎向沉降，由11～14考察點分析其水平位移。選擇典型的開挖步分析(第4、7、14、15步)，如圖7所示。

圖6 地鐵結構橫斷面考察點示意

圖7 地鐵結構的橫斷面位移曲線

由圖6、圖7可知，地鐵結構橫截面考察點處位移沉降變化顯著，但曲線變化趨勢一致，左側橫截面沉降值大于右側橫截面(因電力隧道開挖方向為從左向右而引起)。

4 結論

(1)地鐵車站結構最大隆起值為2.063 mm，最大沉降差為1.473 mm。根據《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2001)，沉降量滿足安全使用要求。

(2)由地鐵結構沿縱向沉降變化分析可知，新修電力隧道開挖時，地鐵結構縱向沉降比較均勻，對地鐵結構的縱向影響較小。

(3)電力隧道開挖方向為從左向右，使得左側橫截面沉降值大于右側橫截面，但曲線變化趨勢一致，地鐵結構在橫向上安全。

(4)地表最大沉降為-5.845 mm，最大沉降差為2.447 mm，滿足地表沉降縫控制標準(<30 mm)。