供水管線穿越地鐵既有結構風險識別與穩定性分析

李 健

(北京市自來水集團有限責任公司基建工程管理分公司，北京 100032)

1 引 言

城市軌道交通經過近160年的不斷發展，已然成為新型城市的主要客運交通工具。城市軌道交通具有運行速度快、載運量大、運行穩定等特點，這些特點有助于解決城市地面交通擁堵問題。截止2020年底，國內有45座城市開通運營了城市軌道交通線路，運營總里程到達了7 978.19 km。其中，北京城軌交通運營總線路將近800 km，每天客運量超過800萬人次，客運量已躍居世界第一。

地鐵運行安全至關重要。北京市地鐵管理條例及相關標準規定：地鐵隧道50 m范圍內屬地鐵保護區，新建工程施工需進行專項設計、安全評估等前期準備工作。隨著城市基建功能提升，大量市政道路改造工程、管線工程及管廊工程投入建設，不可避免的與既有地鐵線路產生交叉與并行關系，為了確保地鐵結構穩定性和運行安全，需要在進行穿越施工前，要對新建工程可能對既有地鐵隧道結構和軌道的影響程度進行評估，提出針對性防護措施。目前，主要利用有限元程序對工程風險進行識別，構建數值模型，分析既有結構變形規律，確定隧道、軌道結構防護建議。

2 工程概況

新建DN600給水主管線采用明開槽施工。新建管線需上穿北京市地鐵14#線善各莊車站及出入口。

主管線從崔各莊站車站主體及D出入口正上方穿越，主管線距離車站主體頂板間距為0.4～0.6 m，其中支5管線橫穿崔各莊站車站主體及臨近C出入口，支5距離車站主體距離為1～1.5 m。新建的工程在上穿已有軌道的施工過程中，對周圍土體無可避免地會產生擾動，由于周圍土體的開挖卸載會使既有結構會產生一定的側移甚至上浮變形，就會對結構內部會產生一定的附加內力。一旦既有結構變形過大，則其正常使用會受到影響。因此，有必要對既有地鐵14#線善各莊站主體結構、C出入口、D出入口受新建工程施工影響的安全性進行評估。

3 穿越施工風險識別與穩定性分析

目前，關于地下結構，有兩種常規和公認的計算方法：荷載-結構模型和地層-結構模型。設計中常常采用荷載-結構模型。地層-結構模型中地下空間的結構體系包含圍巖和支護兩個部分，圍巖既是荷載的來源，同時又是支護的重要組成部分。地層-結構模型的主要分析對象為地下結構和周圍巖土介質，一般會從地層的初始應力出發，利用巖體力學的方法來計算圍巖及支護對圍巖應力和位移場的作用。地層-結構模型一般適合于地質條件等較為復雜的地下工程，如果需要考慮圍巖的非線性特征及施工過程對隧道穩定性的影響作用時，采用底層-結構模型較為有利。

建立BIM三維模型，通過BIM清晰展示新建結構與既有地鐵的相對關系。

在數值計算模型時，上邊界為地表，豎直方向共取50 m，水平方向上取值430 m，寬375 m。將地表設置為自由邊界，其他五個面則約束其法向變形。模型共劃分了95 862個單元，計45 824個節點。地面超載按20 kPa考慮。

計算中，不同的材料采用不同的本構模型模擬，針對混凝土材料，采用線彈性模型，其他各層土體則采用莫爾-庫侖(M-C)模型。利用二維板單元對隧道襯砌進行模擬。注漿效果按照剛度等效為板單元。

本次評估包含給水管線，數值計算模擬按照如下步驟進行：初始階段：生成地層以及地鐵結構模型，計算出初始地應力，將初始位移清零；第一步：開挖給水管線基坑；第二步：鋪設給水管線，回填基坑。

圖1展示了車站的主體結構以及C、D出入口結構在既定施工步驟下的豎向及水平方向位移云圖。

圖1 結構豎向及水平位移云圖

受到新建給水管線施工的影響，14#線善各莊站主體車站結構豎向最大變形0.75 mm(上浮)，移向新建結構方向的垂直車站水平位移0.06 mm；移向新建結構方向的C出入口結構豎向及平行C出入口方向水平位移最大變形分別為0.41 mm(上浮)和0.05 mm，；移向新建結構方向的D出入口結構豎向及平行D出入口方向水平位移最大變形分別為0.23 mm(上浮)和0.05 mm。

4 地鐵結構變形控制及規律分析

根據工程過程的實際特點，以及現有測量儀器的測量精度，綜合地鐵運營安全要求、設備運行的安全要求以及變形預測結果，將本工程施工期間地鐵車站主體結構以及C、D出入口結構變形控制值確定為1 mm。并將控制值的80%作為報警值，70%作為預警值。

為了在施工過程中確保地鐵結構穩定， 保證線路運行安全，采取了變形監測手段對施工進行全過程監控。主要針對車站主體結構及其出入口的沉降變形、道床沉降變形進行監控測量，測點布設間距為20～30 m。

通過對各個測點獲得的監測數據進行，可得到：①車站結構的最大沉降量0.70 mm；②C/D出入口最大沉降量分別為0.38 mm和0.21 mm。現場實際監測數據與模型模擬最大值出現的位置基本一致，現場實際監測數據最大值略小于模擬預測值。

左線位置的豎向變形最大值為0.32 mm，右線位置的豎向變形最大值為0.56 mm，水平方向變形可忽略不計，變形值小于《線路狀態控制標準》(京港地鐵 DP-OE-025)中整體道床允許的變形值，地鐵14#線善各莊站軌道結構安全。

5 結 論

穿越既有地鐵線路的新建工程，在施工過程中會引起結構和軌道產生一定的附加變形，為了預測與控制變形量，施工前必須對施工工藝、工序進行安全性影響分析，利用數值模擬程序構建三維模型確定既有結構中可能產生危險的區域及變形規律；劃分重點影響區域與普通影響區域，提出施工過程中的變形控制值。本工程施工引發地鐵變形預測值與實測值基本一致，變形滿足地鐵運行安全的要求，施工隊地鐵結構及軌道結構未產生明顯影響，施工工藝及工序安全、可行。