供水管線穿越地鐵既有結(jié)構(gòu)風(fēng)險識別與穩(wěn)定性分析

李 健

(北京市自來水集團有限責(zé)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(jīng)過近160年的不斷發(fā)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(wěn)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(nèi)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(dá)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(guān)重要。北京市地鐵管理條例及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：地鐵隧道50 m范圍內(nèi)屬地鐵保護(hù)區(qū)，新建工程施工需進(jìn)行專項設(shè)計、安全評估等前期準(zhǔn)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(shè)，不可避免的與既有地鐵線路產(chǎn)生交叉與并行關(guān)系，為了確保地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和運行安全，需要在進(jìn)行穿越施工前，要對新建工程可能對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)和軌道的影響程度進(jìn)行評估，提出針對性防護(hù)措施。目前，主要利用有限元程序?qū)こ田L(fēng)險進(jìn)行識別，構(gòu)建數(shù)值模型，分析既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，確定隧道、軌道結(jié)構(gòu)防護(hù)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(chǎn)生擾動，由于周圍土體的開挖卸載會使既有結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的側(cè)移甚至上浮變形，就會對結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力。一旦既有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、C出入口、D出入口受新建工程施工影響的安全性進(jìn)行評估。

3 穿越施工風(fēng)險識別與穩(wěn)定性分析

目前，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)，有兩種常規(guī)和公認(rèn)的計算方法：荷載-結(jié)構(gòu)模型和地層-結(jié)構(gòu)模型。設(shè)計中常常采用荷載-結(jié)構(gòu)模型。地層-結(jié)構(gòu)模型中地下空間的結(jié)構(gòu)體系包含圍巖和支護(hù)兩個部分，圍巖既是荷載的來源，同時又是支護(hù)的重要組成部分。地層-結(jié)構(gòu)模型的主要分析對象為地下結(jié)構(gòu)和周圍巖土介質(zhì)，一般會從地層的初始應(yīng)力出發(fā)，利用巖體力學(xué)的方法來計算圍巖及支護(hù)對圍巖應(yīng)力和位移場的作用。地層-結(jié)構(gòu)模型一般適合于地質(zhì)條件等較為復(fù)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(wěn)定性的影響作用時，采用底層-結(jié)構(gòu)模型較為有利。

建立BIM三維模型，通過BIM清晰展示新建結(jié)構(gòu)與既有地鐵的相對關(guān)系。

在數(shù)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(shè)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(jié)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(gòu)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(jìn)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(shù)值計算模擬按照如下步驟進(jìn)行：初始階段：生成地層以及地鐵結(jié)構(gòu)模型，計算出初始地應(yīng)力，將初始位移清零；第一步：開挖給水管線基坑；第二步：鋪設(shè)給水管線，回填基坑。

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

圖1 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)豎向最大變形0.75 mm(上浮)，移向新建結(jié)構(gòu)方向的垂直車站水平位移0.06 mm；移向新建結(jié)構(gòu)方向的C出入口結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方向的D出入口結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形控制及規(guī)律分析

根據(jù)工程過程的實際特點，以及現(xiàn)有測量儀器的測量精度，綜合地鐵運營安全要求、設(shè)備運行的安全要求以及變形預(yù)測結(jié)果，將本工程施工期間地鐵車站主體結(jié)構(gòu)以及C、D出入口結(jié)構(gòu)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(yù)警值。

為了在施工過程中確保地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 保證線路運行安全，采取了變形監(jiān)測手段對施工進(jìn)行全過程監(jiān)控。主要針對車站主體結(jié)構(gòu)及其出入口的沉降變形、道床沉降變形進(jìn)行監(jiān)控測量，測點布設(shè)間距為20～30 m。

通過對各個測點獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行，可得到：①車站結(jié)構(gòu)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(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型模擬最大值出現(xiàn)的位置基本一致，現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值略小于模擬預(yù)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(tài)控制標(biāo)準(zhǔn)》(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(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié) 論

穿越既有地鐵線路的新建工程，在施工過程中會引起結(jié)構(gòu)和軌道產(chǎn)生一定的附加變形，為了預(yù)測與控制變形量，施工前必須對施工工藝、工序進(jìn)行安全性影響分析，利用數(shù)值模擬程序構(gòu)建三維模型確定既有結(jié)構(gòu)中可能產(chǎn)生危險的區(qū)域及變形規(guī)律；劃分重點影響區(qū)域與普通影響區(qū)域，提出施工過程中的變形控制值。本工程施工引發(fā)地鐵變形預(yù)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(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生明顯影響，施工工藝及工序安全、可行。