電力隧道基坑上跨既有地鐵的影響分析

任廣鵬

（廣州電力設計院有限公司 廣東廣州 510000）

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，城市地下空間開發利用逐漸成為熱點。但是，隨著各類地下軌道交通、地下管廊、地下管線及地下建筑等地下設施逐漸豐富，地下設施建設引起的相互影響問題也逐漸突出。地鐵作為重要的城市公共交通工具之一，其結構變形控制較為嚴格，其周邊基坑開挖、鉆孔等外部作業影響問題引起廣泛關注。

王衛東等采用三維連續介質有限元法分析了基坑開挖所引起的環境效應[1]。張治國等基于Winkler地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，研究了不同隧道埋深、距離基坑開挖現場遠近、不同地基土質和不同隧道外徑等因素對隧道縱向變形的影響[2]。蔣超等通過建立二維有限元模型，分析了基坑開挖的各個階段對地鐵的影響[3]。李偉強、孫宏偉應用有限元建立巖土-結構整體計算模型，進行了深基坑與鄰近地鐵車站的相互影響分析[4]。馮天煒等采用有限元軟件對綜合管廊明挖施工過程進行模擬，分析明挖施工過程對近鄰地鐵結構的影響[5]。本文應用大型有限元軟件Midas GTS NX，建立三維有限元模型，采用摩爾-庫倫土體模型，模擬電力隧道基坑開挖過程，分析不同基坑開挖方式下對既有地鐵結構產生的影響。

1 工程概況

新建電力隧道全長約4.2km，管容按8回電纜線路設計，其中2回220kV電纜，6回110kV電纜。隧道主體結構采用單艙箱型混凝土結構，結構斷面外輪廓尺寸為4m（高）×3.2m（寬），壁厚0.35m，覆土深度約為1m。既有地鐵為已運營地鐵，地鐵區間為單洞單線圓形斷面，采用6m外徑盾構工法，內徑為5.4m。地鐵管頂覆土約10m，線間距約為14m。

新建電力隧道先與既有地鐵線向西并行約200m，水平凈距約為13m，隨后電力隧道向北轉90°上跨既有地鐵。電力隧道與既有地鐵的平面位置關系見圖1。電力隧道上跨地鐵區間的基坑采用放坡開挖，坡度為1：1，長度為32m，其余區段采用φ800mm旋挖鉆孔灌注樁+鋼管內支撐支護方式。電力隧道基坑開挖深度約5m，灌注樁嵌固深度為5m，基坑開挖寬度為3.4m。電力隧道與既有地鐵線并行段，接近程度為較接近，外部作業的工程影響分區為較小影響區（C），外部作業等級為三級。電力隧道上跨既有地鐵線段，接近程度為非常接近，外部作業的工程影響分區為顯著影響區（B），外部作業等級為特級。因此，電力隧道上跨既有地鐵線段應作為計算和分析重點。

圖1 電力隧道與既有地鐵平面位置關系

2 計算模型

計算采用大型有限元分析軟件Midas GTS NX建立三維有限元模型，采用地層-結構法考慮基坑支護結構、地鐵襯砌結構與周圍巖土體的相互作用。計算結合電力隧道基坑施工過程，模擬每個施工工況下地鐵結構及周圍巖土體的內力和變形。

2.1 計算參數選取

基坑灌注樁采用C30混凝土，彈性模量E=30000MPa，泊松比υc=0.2；地鐵襯砌采用C50混凝土，彈性模量E=34500MPa，泊松比υc=0.2；鋼支撐采用直徑φ402mm，厚度12mm鋼管，彈性模量E=206000MPa，泊松比υ=0.3。巖土體采用摩爾庫倫模型，考慮巖土體的非線性變形。根據巖土勘查報告及地質參數，模型巖土體物理參數取值如下。人工填土：γ=18kN/m3，c=12kPa，φ=10°；淤泥質土：γ=17kN/m3，c=7kPa，φ=6°；砂質粘性土：γ=18.5kN/m3，c=22kPa，φ=20°；全風化花崗巖：γ=18.5kN/m3，c=28kPa，φ=25°；強風化花崗巖：γ=18.5kN/m3，c=30kPa，φ=28°。

2.2 施工工況

考慮兩種開挖設計方案。方案一：先進行地鐵上方放坡開挖，再對稱開挖地鐵兩側土體。方案二：由地鐵南側依次開挖至地鐵北側。結合兩種開挖設計方案和施工工況，考慮巖土體應力歷史的影響，本次計算分為以下7種工況：工況1：自重下巖土體初始應力場分析；工況2：地鐵施工；工況3：巖土體歷史位移清零；工況4：基坑圍護樁施工；工況5：上跨地鐵基坑放坡開挖（方案一），地鐵南側基坑開挖及施作支撐（方案二）；工況6：地鐵兩側基坑土體開挖及施作支撐（方案一），上跨地鐵基坑放坡開挖（方案二）；工況7：地鐵南側基坑開挖及施作支撐（方案二）。

2.3 建立計算模型

計算模型采用彈塑性實體單元模擬巖土體，鋼管支撐采用梁單元，基坑支護樁和隧道襯砌采用板單元。模型邊界采用位移約束邊界，模型尺寸為100m×100m×35m，計算模型見圖2。

圖2 有限元計算模型

3 計算結果分析

3.1 方案一計算結果

方案一既有地鐵襯砌結構位移匯總表見表1，地鐵襯砌結構位移位移變化趨勢見圖3。計算結果表明：上跨地鐵基坑放坡開挖下地鐵襯砌結構（工況5）下地鐵襯砌結構豎向變形幅度最大，即地鐵上方開挖土體對地鐵結構影響最大。工況5下地鐵結構的豎向位移云圖見圖3。由圖3可知，工況5下地鐵結構變形最大的位置是基坑放坡開挖正下方，最大豎向位移為6.26mm。綜上，方案一開挖方式下，地鐵結構豎向變形幅度較大。

表1 方案一基坑開挖工況下地鐵結構位移匯總

圖3 工況5下地鐵結構的豎向位移云圖

3.2 方案二計算結果

方案二既有地鐵襯砌結構位移位移變化趨勢見圖4。通過與方案一計算結果對比可知，方案二開挖方式下地鐵結構的最大豎向變形幅度為與方案一相近。但是，方案二地鐵結構的最大水平變形幅度遠大于方案一。綜上，方案二的豎向變形幅度和水平向幅度均較大。

圖4 方案二地鐵襯砌結構位移變化趨勢

4 結論

通過建立有限元模型，考慮基坑開挖各工況，分析兩種開挖設計方案下基坑開挖對地鐵結構變形的影響，得出以下結論：

（1）基坑臨近地鐵開挖施工時，開挖土體附近的地鐵結構變形最大。

（2）地鐵兩側依次開挖土體對地鐵結構的影響大于地鐵兩側同時開挖土體。