電力隧道施工對運營地鐵隧道結構影響分析研究

摘要 伴隨著軌道交通建設的高速發展，穿越既有運營隧道的項目日益增多，文章通過數值分析方法，重點研究了電力隧道上跨既有軌道交通運營隧道的施工影響。研究結果表明：沉井開挖引起的區間隧道最大沉降為0.024 mm，最大隆起為0.033 mm；道床隆起最大值為0.01 mm；隧道管片徑向收斂最大為0.022 mm；沉井降水施工引起的區間隧道的最大水位位移為1.41 mm，最大豎向位移為?1.73 mm。因此，電力隧道施工全過程對地鐵區間隧道的影響能夠滿足軌道交通結構水平及豎向變形要求。

關鍵詞 人工頂管；運營地鐵；數值分析；沉井

中圖分類號 TU473 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2023）15-0057-03

0 引言

城市中修建的軌道交通一般沿既有道路走行，運營隧道不可避免地與現狀或者規劃市政管線項目存在豎向交疊或者平面緊貼情況。濟南地區電力隧道一般采用頂管法施工，該文通過數值分析的方式，研究了電力隧道及施工豎井施工對隧道結構的影響，確保軌道交通處于正常運營狀態。

1 工程概況

該電力隧道項目位于濟南市天橋區的三孔橋以西，下穿北園高架，處于運營軌道交通隧道保護區范圍。影響軌道交通的電力通道施工包括頂管始發井、頂管接收井、頂管區間，其與濟南軌道交通區間隧道位置關系如圖1。

1.1 10 kV 電纜引入土建工程沉井施工及頂管施工與既有濟南軌道交通的關系

（1）始發井位于區間正上方，豎向距離約7.93 m。

（2）接收井距離區間左線水平距離最近約9.39 m，豎向距離約7.89 m。

（3）DN1500 頂管垂直于長區間，豎向距離區間最近約為10.2 m。綜上，始發井、接收井、頂管區間均位于軌道交通10 m 特別保護區范圍內。區間隧道采用1 200 mm 環寬、內徑Φ5 800 mm、結構厚300 mm、錯縫拼裝的單層襯砌結構型式。

1.2 電纜引入土建工程情況

（1）始發井：尺寸4 m×4 m×6 m，沉井墻厚為500 mm，采用沉井法施工。

（2）接收井：尺寸3 m×4 m×3.5 m，沉井墻厚為400 mm，采用沉井法施工。

（3）始發井與接收井之間采用人工頂管的方式進行施工，人工挖土機械頂進。管節內徑1 500 mm，外徑1 800 mm，長度2 000 mm/ 節，混凝土標號C40。

根據地鐵隧道的監測數據顯示，運營期監測里程內，區間道床最大沉降量為3.8 mm；區間收斂點最大擴張量為1.3 mm，最大收縮量為2.9 mm；區間線路中線最大位移量為3.6 mm。區間道床最大沉降量為3.8 mm；區間收斂點最大擴張量為1.3 mm，最大收縮量為2.9 mm；線路中線最大位移量為3.6 mm。

2 工程地質及水文概況

該工點沿線地形總體平緩， 地面高程介于20.90～25.27 m 之間。最大高差約4.37 m，整體起伏相對較小。區間下穿東工商河處地面高程較低，線路穿越的地貌單元為山前沖積平原。

場地范圍內以第四系地層以粉質黏土、黏土、細砂、卵石、含碎石粉質黏土為主，局部揭露膠結礫巖、卵石。

場地內地下水主要為潛水和巖層裂隙水。1-1 層、1-2 層人工填土下部、10-1 層粉質黏土為主要含水層，7-1、16-1 層粉質黏土富水性和滲透性相對較小。勘察期間，地下潛水穩定水位埋深1.5～3.8 m，高程介于18.80～22.94 m 之間。基巖裂隙承壓水類型主要為19-1 層全風化閃長巖和19-2 層強風化閃長巖，相對隔水頂板為16-1 層粉質黏土和16-2 層黏土。

由于16-1 層粉質黏土、16-2 層黏土中夾有16-4 層卵石層，具有一定的透水性，上部第四系孔隙潛水與下部基巖裂隙承壓水具有一定的水力聯系，存在越流補給。電纜引入土建工程項目周邊的濟南軌道交通長途汽車站站～ 生產路站區間，主要穿越層為19-1 全風化閃長巖和19-2 強風化閃長巖。始發井沉井施工中，主要穿越地層為1-2 素填土、7-1 粉質黏土、7 黏土；接收井沉井施工中，主要穿越地層1-2 素填土、7-1 粉質黏土、7 黏土，頂管法主要穿越土層為7-1 粉質黏土和7 黏土。

3 數值模擬分析

3.1 總體分析控制

該次數值模擬采用Midas GTS NX 三維數值分析軟件，土體采用實體單元建模，其物理力學參數選取如表1，模型簡圖見圖2，本構為修正庫倫— 摩爾屈服準則。地下水位及其相應參數采用地質勘察報告提供的數據，模擬真實施工情況。沉井、管節、封底結構采用板單元建模。由于采用人工掘進的開挖方式，該次數值分析不考慮頂管法正面推力[1]。地鐵區間隧道結構采用300 mm 厚板單元、道床采用實體單元模擬[2]。道路車輛超載取20 kPa，嚴格按道路實際尺寸施加[3]。

3.2 三維建模分析內容

（1）始發井、接收井沉井開挖、回筑建設過程中，沉井結構受力變形及地鐵區間隧道結構受力變形分析[3]。

（2）頂管掘進過程中，管節結構受力變形及地鐵區間隧道結構受力變形分析[4]。

（3）根據上述分析，提供參考性建議減少沉井及頂管施工對區間隧道影響。

3.3 三維分析工況

Midas GTS NX 軟件能自動在上一工況的不平衡力及速率收斂的基礎上，繼續模擬下一工況。

施工階段1：初始地基應力平衡。

施工階段2：地鐵隧道施工。

施工階段3：始發井、接收井放坡開挖。

施工階段4：始發井、接收井第一步開挖。

施工階段5：始發井、接收井第二步開挖。

施工階段6：始發井、接收井第三步開挖。

施工階段7：始發井、接收井封底。

施工階段8：頂管第一步掘進。

施工階段9：頂管第二步掘進。

施工階段10：頂管第三步掘進。

施工階段11：頂管第四步掘進。

施工階段12：頂管第五步掘進。

施工階段13：頂管第六步掘進。

施工階段14：頂管第七步掘進。

施工階段15：頂管第八步掘進。

3.4 三維分析

由軟件計算結果可知，沉井開挖引起的區間隧道最大沉降為0.024 mm，最大隆起為0.033 mm，位于始發井正下方；沉井開挖引起的區間隧道最大水平位移為0.03 mm，道床隆起最大值為0.01 mm。頂管施工過程中，地表最大沉降0.37 mm。管節頂最大沉降0.28 mm，管節底最大隆起0.09 mm。平行地鐵隧道方向，模型最大水平位移0.21 mm。頂管掘進引起的區間隧道最大豎向隆起為0.04 mm，頂管掘進引起的區間隧道道床最大豎向隆起位移為0.01 mm。

綜合各工況分析，沉井開挖與頂管掘進引起的區間隧道管片徑向收斂最大為0.022 mm，能夠滿足軌道交通結構隧道徑向收斂不大于5 mm 的要求，影響很小。

3.5 沉井施工二維流固耦合分析

因始發井基坑較深為6 m、接收井基坑深度3.5 m，基坑降水深度或引起隧道產生較大的變形，故取始發井、接收井沉井施工做二維流固耦合分析。整個過程共有8個施工分析步驟：

施工階段1：初始滲流場分析。

施工階段2：初始地基應力平衡。

施工階段3：地鐵隧道施工。

施工階段4：始發井、接收井放坡開挖。

施工階段5：第一階段滲流（按照最不利情況，一次降到開挖面下0.5 m）。

施工階段6：始發井、接收井第一步開挖。

施工階段7：始發井、接收井第二步開挖。

施工階段8：始發井、接收井第三步開挖。

其中施工階段5，坑內水位下降，與沉井外側產生水頭差，進而形成滲流。

經計算，沉井施工降水，使右線隧道底部總水頭降低0.6 m，左線隧道總水頭降低0.7 m，影響較小；降水施工引起的區間隧道的最大水位位移為1.41 mm，最大豎向位移為?1.73 mm，小于安全要求的5 mm，故滿足安全。

3.6 分析小結

（1）沉井施工引起的地面最大沉降0.39 mm，最大水平位移0.3 mm，坑底隆起1.36 mm，區間隧道最大隆起0.033 mm，最大水平位移0.03 mm。模擬結果表明：沉井施工全過程對地鐵區間隧道的影響能夠滿足軌道交通結構水平及豎向位移量不大于5 mm 的要求。

（2）沉井施工過程中，管片最大彎矩63 kN·m，軸力1 229 kN，剪力61 kN，管片配筋滿足原設計要求。模擬結果表明：沉井施工全過程對地鐵區間隧道管片的受力影響有限，滿足管片原設計要求。

（3）頂管施工引起的地面最大沉降0.37 mm，坑底隆起0.09 mm，區間隧道最大隆起0.04 mm，最大水平位移0.04 mm。模擬結果表明：頂管施工全過程對地鐵區間隧道的影響能夠滿足軌道交通結構水平及豎向位移量不大于5 mm 的要求。

（4）頂管施工過程中，管片最大彎矩63 kN·m，軸力1 229 N，剪力61 kN。模擬結果表明：沉井施工全過程對地鐵區間隧道管片的受力影響有限，滿足管片原設計要求。

（5）電纜引入土建工程對區間隧道的影響主要體現在沉井施工，頂管施工對區間隧道的影響很小，幾乎可以忽略不計。

（6）電纜引入土建工程施工全過程中引起區間隧道結構最大豎向位移0.04 mm，最大水平位移0.04 mm；道床最大豎向位移0.01 mm，最大水平位移0.002 mm。模擬結果表明：電纜引入施工全過程對地鐵區間隧道的影響能夠滿足軌道交通結構水平及豎向位移量不大于5 mm的要求[5]。

（7）電纜引入土建工程施工全過程中引起的區間隧道管片徑向收斂最大為0.022 mm，能夠滿足軌道交通結構隧道徑向收斂不大于5 mm 的要求。

（8）電纜引入土建工程施工全過程中區間隧道管片內力變化可忽略不計，沉井、頂管施工對區間隧道結構內力的影響較小。模擬結果表明：電纜引入施工全過程對地鐵區間隧道管片的受力影響有限，滿足管片原設計要求。

（9）二維流固耦合分析結果顯示，基坑開挖及降水引起區間隧道的最大水平位移為1.043 6 mm，最大豎向位移為?1.862 7 mm，可見降水施工影響比基坑開挖影響更為顯著。由于基坑較深且距離軌道交通結構較近，施工過程中應嚴格控制降水，減少滲流帶來的沉降影響。

4 結語

該文通過數值模擬分析了電力沉井及人工頂管施工對既有隧道影響。分析結果表明，施工全過程對地鐵區間隧道的影響能夠滿足軌道交通結構水平及豎向變形要求。

另外，建議在項目工程施工時，建立嚴密的既有區間隧道內部結構受力、變形、沉降的監控量測體系，對施工過程進行全面的監控量測，隨時反饋信息，指導施工生產，在發生既有地鐵結構沉降速率超過規定值時，應立即啟動搶險預案。

參考文獻

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