某軌道風道施工對臨近軌道主體的影響分析

王貴珍，彭軍

（1重慶工程職業技術學院，重慶 400037；2重慶大學，重慶 400045）

0 引言

軌道施工對于附近已有建筑的應力和位移會產生影響，并且其變化會隨著施工的進程而變化。本文結合重慶市軌道交通紅旗河溝站的工程實例，分析軌道6號線風道開挖對臨近軌道3號線主體結構和其出入口通道的影響[1]，控制其不均勻的沉降[2]，當變形達到一定程度時將造成地表建筑物沉降、傾斜甚至開裂[3]，故必須進行安全評估及驗證施工方案的可行性。

本文采用三維有限元模型模擬施工。具體思路為：確定包括軌道6號線風道及周邊各構建物的三維空間模型，采用ANSYS建模，利用FLAC3D進行施工模擬，在模擬結果進行數據處理后，分析風道施工對軌道3號線主體結構的影響，驗算結構安全，并進行安全評估。

1 工程概況

1.1 地質條件

地層分別第四系全新統的人工填土層(Q4ml)和侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)。根據地層的新老關系，其巖性厚度和基本質量等級特征分別為：素填土——一般厚2.2～8.8m；雜填土——厚6.3m；粉質粘土——厚2.50m；砂巖——巖體基本質量等級Ⅲ級；泥質砂巖——巖體基本質量等級為Ⅳ級；基巖強風化帶厚度一般約0.4～1.1m左右。

1.2 施工方案

由于施工場地協調困難，將軌道6號線出口延伸到臨近軌道3號線一側。軌道6號線B風道方案施工對與之鄰近的構建物有一定的影響。與之相鄰的地下構建物有：（1）軌道3號線車站（已建成），水平距離6m左右；（2）軌道6號線車站（在建），與之正交；（3）軌道6號線另一風道（上穿此風道，未建成），豎向距離12.8m；（4）軌道3號線出入口通道（上穿緊鄰風道，已建成），水平距離3.5m左右，豎向距離11.5～14.0m。平面圖如圖1所示。

圖1 平面布置圖

2 三維分析模型與施工模擬

2.1 模型建立及分析方法

根據車站標準斷面尺寸確定分析模型范圍。計算模型的邊界范圍按照以下原則進行了確定：水平方向取洞跨的5倍；垂直方向，上邊界為自由地表，下邊界為洞高的5倍，模型邊界地表面為自由面外，其他均采用法向位移約束。在ANSYS中建立模型并進行網格劃分[4-6]。模型如圖2所示。

圖2 分析模型

結合巖土工程詳細勘察報告將模型簡化為三個地層，分別為素填土、中風化砂巖和中風化砂質泥巖層。

將ANSYS中建立的模型導入到FLAC3D[7]分析軟件中進行施工模擬。

2.2 施工模擬

為分析每步施工過程對既有軌道3號線和人行通道的影響，根據施工過程，將施工段分為14步，也就是完成每步施工段后對軌道3號線和人行通道進行分析。1-9步豎向井的開挖，10-12步為水平風道的開挖，13步是母風道轉彎部位的開挖，14步是風道直段的開挖，并且每段開挖后要進行支護。

3 對軌道3號線的影響分析

3.1 位移分析

圖3 為軌道6號線風道全部施工完成后的軌道3號線襯砌位移等值線及矢量圖。由圖可知，整個風道開挖引起軌道3號線的位移不大，最大值僅為0.23mm。其最大位置在疏散井和排風井之間的拱腰位置上，這主要是由于疏散井和排風井尺寸相對新風井較大且距離較近的原因，因此施工中需對該部位加強監控。

圖3 軌道3號線襯砌位移等值線及矢量圖（單位：m）

圖4 為14個施工步的軌道3號線襯砌位移最大值曲線。由圖可知，軌道3號線襯砌位移最大值并不是出現在施工完成后，而是出現在整個豎井施工完成后。而進行風道水平段開挖后，襯砌位移會出現一定的減小。而從圖中也可以看出，在對風道豎井上部結構進行開挖時，3號線的襯砌也不是很大，而當風道開挖至和3號線同一水平時，襯砌變形會有一個躍階，因此施工至該步驟時需注意加強監測。

圖4 各施工步完成后軌道3號線襯砌的最大位移曲線圖

3.2 應力分析

圖5～圖7分別為軌道3號線風道未施工、第9施工步（豎井開挖完）軌道3號線風道全部施工完所對應的軌道3號線襯砌最大主應力圖。由圖可知，軌道3號線襯砌最大主應力主要出現在與原有6號線交叉位置拱腳處，且拱腳處會出現一定的拉應力區，但范圍很小。

圖5 軌道3號線襯砌在風道未施工時最大主應力分布圖（單位：Pa）

圖6 施工第9步完成后軌道3號線襯砌最大主應力分布圖（單位：Pa）

圖7 全部施工完成后軌道3號線襯砌最大主應力分布圖（單位：Pa）

對比施工前后可知，風道施工后主應力的分布特征并沒有特別大的變化，最大主應力值較開挖前增加了不到0.1MPa，表明風道的開挖對軌道3號線應力的影響較小。

綜合對軌道3號線襯砌位移和應力的分析表明，由于靠近軌道3號線的豎井尺寸不是很大，整個風道的開挖施工對軌道3號線的影響不是很大。而軌道3號線襯砌的位移主要產生在豎井與軌道3號線同一水平的豎井開挖時，此時應注意控制豎井每步的開挖進尺，并加強對軌道3號線襯砌在疏散井和排風井之間的拱腰位置的監控量測。

4 對軌道3號線2號出入口通道的影響分析

4.1 位移分析

圖8 為軌道3號線2號出入口通道襯砌在施工完成后位移等值線及矢量圖。由圖可知，整個風道施工完成后，通道將會產生整體向下沉的位移，但位移的量值都不是很大，最大值為0.96mm，位于疏散井和排風井水平段之間的上方拱底位置（見圖9）。

圖8 人行通道襯砌位移等值線及矢量圖（單位：m）

圖9 最大值位置示意圖

圖10為14個施工步完成后的人行通道襯砌位移最大值曲線。從圖可知，人行通道最大值是在分風道都完成后，最大值為1.04mm。，而增加幅度最大也是在豎井下部施工時，這主要是該段施工時離人行通道距離最近的緣故。而由于三個水平的分風道位于人行通道的正下方，因此水平分風道的開挖也會引起人行通道位移的增加，在分風道完成后位移值達到最大。

圖10 人行通道在各施工步完成后最大位移值曲線圖

4.2 應力分析

圖11 和圖12分別為軌道3號線風道施工前后的人行通道最大主應力分布圖。由圖可知人行通道最大主應力最大值主要集中在與6號線結合的地方，最大值達到了9.3MPa，而與風道豎井以及水平段距離較近的中部位置值在1MPa到4MPa的范圍，受力不是很大。對圖11和圖12的對比可以看出，整個風道的開挖會使人行通道的最大主應力增加0.2MPa左右，表明風道的開挖對人行通道應力的影響并不是很大。

圖11 人行通道在整個施工完成后最大主應力分布圖（單位：Pa）

圖12 人行通道在未進行風道施工時最大主應力分布圖（單位：Pa）

綜合對人行通道位移和應力的分析表明，整個風道的施工對人行道的影響不是很大，施工中需注意且加強監測的是在豎井施工至離人行通道較近位置的階段。

5 結語

通過以上分析，得出如下結論。

（1）軌道6號線風道的施工對已有的軌道3號線、軌道3號線2號出入口通道以及臨近某汽車城稍有影響，但影響程度較小。說明軌道6號線風道采用三個獨立豎井且跳槽施工的設計和施工方案基本可行。

（2）風道對軌道3號線的影響主要是在豎井施工階段，特別是在豎井施工至與軌道3號線同一水平段時。因此建議在施工至該階段時，需嚴格控制豎井開挖進尺，盡可能減小擾動，并對軌道3號線與豎井對應的拱腰位置加強監測。

（3）風道對人行通道的影響主要體現在豎井下部至水平分風道完成的階段，因此在該階段施工時需注意減小擾動。人行通道受影響較嚴重部位為位于疏散井和排風井水平段之間的上方拱底位置，因此建議對該部位應加強監測。

（4）建議采用動態設計、信息法施工；施工過程中縮短掘進回次長度、減少炸藥裝藥量、并及時對完成部分進行襯砌。

[1]蘭福東.軌道6號線施工對鄰近建筑物的影響及數值分析[J].山西建筑,2008,34(9):308-309.

[2]馬天文.鄰近建筑物暗挖軌道6號線風道施工方案研究[J].山西建筑,2011,37(14):73-74.

[3]劉干斌，石祥鋒，劉曉虎，等.軌道6號線施工對周邊建筑的影響分析及加固對策[D].第2屆全國工程安全與防護學術會議論文集：下冊，2010:380-385.

[4]肖穎，許模.淺談FLAC3D、ANSYS建模特點及其應用[J].甘肅水利水電技術,2011,47(2):11-12,22.

[5]廖秋林，曾錢幫，劉 彤，等.基于 ANSYS平臺復雜地質體 FLAC-3D模型的自動生成 ［J］.巖石力學與工程學報,2005,24(6).

[6]郭洪锍.基于ANSYS軟件的有限元網格劃分技術淺析［J］.技術平臺，2010(4).

[7]宋民崇，余云燕，趙德安.FLAC軟件在邊坡穩定分析中的應用［J］.黑龍江工程學院學報：自然科學版，2009(4):24-27.