北京電力隧道近接施工數值模擬

張潔貞，李泉珍，麻景瑞

（1.貴州大學，貴州 貴陽 550000；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610000）

1 工程概況

因北京站－北京西站地下直徑線工程實施的需要，對崇文門路口地區多條地下管線進行改移。本文評估的電力隧道，覆土最小4.232 m，最大9.772 m，埋深最大13.072 m。縱坡最小0.5 %，最大20.0 %。穿越地層由上至下為雜填土、粉土填土、粉土、黏土、粉細砂、中粗砂，位于地下潛水位以上。圖中左側起點5號檢查井與地鐵5號線崇文門站西南出入口凈距0.995 m，見圖1。6號檢查井距5號線車站東南出入口凈距3.898 m。

圖1 5#檢查井與西南出入口結構的平面關系圖

本工程采用淺埋暗挖法施工，全斷面人工開挖，留核心土。隧道采用噴錨支護，正常段每0.5 m一榀拱架沿內外主筋外緣設置鋼筋網片。噴射混凝土的強度等級為 C20；網構鋼架：HRB335主筋4φ18；雙層鋼筋網片：φ6－100×100；超前管棚：沿拱頂設置φ32鋼管，壓注改性水玻璃，每兩米設一根φ 32背后注漿管；鋼材：除拱架外其它均為HPB235。噴射防水混凝土；襯砌內表面采用聚乙烯丙綸復合防水卷材做防水層，完后澆筑二襯模筑混凝土。

根據周邊地質勘察資料，地層由上至下為雜填土、素填土、粉土、粉質黏土、粉砂、細砂、圓礫、黏土等，電力隧道開挖范圍內以細砂和圓礫層為主。按成因年代將勘探深度范圍內的地層劃分為人工填土層、第四紀更新世層兩大類。

2 有限元計算模型

三維模型完全按照實際尺寸建模，計算范圍選取沿西南出入口結構、5#檢查井和新建電力隧道60 m的范圍，考慮西南出入口結構底板埋深為16.5 m，最終取50 m作為計算高度，即整個模型是60 m×60 m×50 m（長×寬×高）的立方體。邊界條件為：四周方向施加水平約束，下邊界施加垂直約束，地表為自由面。分析采用ANSYS10.0軟件，地鐵結構及周圍土體采用實體單元（Solid45、Solid92），并進行離散化，見圖2。

三維計算模型及力學分析的計算工況為從電力隧道設計起點（5#檢查井）開挖。開挖前對檢查井四周土體進行加固處理，對電力隧道靠近西南出入口側1 m范圍進行土體加固處理。電力隧道為淺埋暗挖法施工，復合式襯砌結構，初襯為C20噴砼加鋼格柵，250 mm厚。二襯為模筑防水混凝土，250 mm厚，附加柔性防水層。檢查井為倒掛井壁式施工，復合式襯砌結構，初襯為C20噴砼加鋼格柵，300 mm厚，二襯為模筑混凝土，350 mm～400 mm厚，抗滲等級P8，每次進尺約3 m～4 m。三維模型圍巖及建筑材料的物理力學參數見表1。

表1 圍巖及建筑材料的物理力學參數

圖2 有限元模型示意圖

3 分析方法

采用三維實體模型模擬施工，分析5#檢查井和電力隧道開挖引起的空間沉降效應，考察電力隧道開挖過程中出入口結構是否安全。通過分析三維模型計算結果，進行位移分析和內力分析。位移分析主要依據電力隧道開挖時結構產生的沉降量和沉降差，通過其與允許值比較，定量判斷結構安全性。內力分析主要依據電力隧道開挖時對西南出入口結構的沉降影響從而確定其不均勻沉降，由此計算5#檢查井施工和電力隧道開挖對西南出入口結構引起的附加內力。這一附加內力與原設計荷載和特載計算的結構內力進行疊加，得到結構的總內力，將總內力與地鐵車站結構的設計承載力進行比較，來評估結構的安全性。

4 數值計算結果及分析

4.1 沉降分析

圖3 西南出入口沉降考察區域位置圖

考察西南出入口結構位移考察區域1，設置12個考察點，見圖4、圖5。

考察出入口結構考察區域2，選取地鐵結構最危險截面上8個點作為考察點，見圖6。

圖4 位移考察區域1沉降分析（考察點1～6）

圖6 位移考察區域2沉降分析

4.2 既有結構內力分析

出入口考察區域見圖7。

圖7 出入口考察區域位置圖

橫向、縱向考察區域最不利截面彎矩圖，見圖8、圖9。

圖8 橫向考察區域2的彎矩圖

圖9 縱向考察區域2的彎矩圖

5 結果分析

5.1 西南出入口結構安全性結果分析

5.1.1 橫截面承載力評價

考慮使用荷載和施工引起附加荷載情況下，西南出入口結構橫截面滿足結構承載力要求、抗裂要求和抗扭要求。西南出入口結構橫斷面在預測沉降范圍內是安全的。

5.1.2 縱截面承載力評價

電力隧道在開挖進尺控制4 m左右時，考慮使用荷載和施工引起附加荷載情況下，出入口結構縱截面滿足結構承載力要求、抗裂要求和抗扭要求。出入口結構縱斷面在預測沉降范圍內是安全的。

綜合評價出入口結構內力和沉降，如果嚴格按照設計文件做好支護、緊跟開挖做好初期支護、嚴格執行短進尺、緊封閉、強支護、勤量測等技術措施，西南出入口結構是安全的。

5.2 東南出入口結構安全性結果分析

新建電力隧道及6#檢查井緊接東南出入口的距離（3.898 m）大于電力隧道及5#檢查井緊接西南出入口的距離（0.995 m），且東南出入口結構形式與西南出入口結構形式類似，根據工程類比知，電力隧道施工對西南出入口的影響在規范允許范圍內是安全的，則東南出入口結構在電力隧道施工中亦是安全的。

6 結論

（1）通過有限元分析發現，按照設計方案施工，檢查井及電力隧道近接地鐵車站出入口結構施工的全過程中，地鐵結構最大隆起預測值約為1.82 mm，施工管理取1.4 mm，地表沉降規定的限制以內，因此原設計方案可行。

（2）計算發現，注漿加固方法通過提高圍巖的粘聚力系數達到0.8 MPa以上，彈性模量200 MPa以上，可明顯降低因開挖引起的塑性區分布范圍和地表沉降。

7 建議

（1）通過計算可知，最危險位置在出入口結構的轉角處（考察區域1的考察點3處），施工時要嚴格監測其位移。若超過管理值，或變形速率過快，應立即采取加固措施，減少結構位移。

（2）施工過程中要遵循淺埋暗挖法施工原則：管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測。

（3）嚴格按信息化施工原則進行施工管理，勤量測，發現洞周位移過快、超過控制標準時，應加強預加固措施，如圍巖內注漿、掌子面注漿、加密鋼支撐、盡快封閉初期支護、襯砌的背后再次注漿等措施減小地鐵車站變形速率。

（4）要求根據相關規范制定詳細的施工監控量測計劃，嚴格執行。

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