擬建地鐵車站施工對新建電力隧道結(jié)構(gòu)安全影響分析

祝喜慶

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建設(shè)計(jì)院，上海200070）

擬建地鐵車站施工對新建電力隧道結(jié)構(gòu)安全影響分析

祝喜慶

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建設(shè)計(jì)院，上海200070）

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，城市地鐵建設(shè)在大中城市也越來越多，然而復(fù)雜的城市既有管線往往會受到地鐵車站及區(qū)間施工的影響。現(xiàn)有某地鐵車站施工需穿越既有電力隧道結(jié)構(gòu)，采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行三維仿真分析，內(nèi)容包括擬建地鐵車站施工前、施工后電力隧道監(jiān)測斷面位移分析和電力隧道監(jiān)測斷面結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明，擬建地鐵車站施工對新建電力隧道有一定影響，經(jīng)過檢算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，可知新建電力隧道結(jié)構(gòu)是安全的。

地鐵車站；施工；電力隧道；安全分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.030

1 引言

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市軌道交通網(wǎng)得到快速發(fā)展，緩解了日益嚴(yán)峻的城市交通壓力。同時(shí)城市地下交通網(wǎng)也出現(xiàn)了越來越多的工程交疊、交叉現(xiàn)象。這種新建線路穿越既有線路已經(jīng)成為工程界的重點(diǎn)工程，引起了大量學(xué)者、研究人員的關(guān)注，并已經(jīng)開展了大量的研究[1～4]。現(xiàn)以某地鐵車站穿越既有電力隧道結(jié)構(gòu)為工程背景，采用大型ANSYS有限元軟件模擬擬建地鐵車站施工對新建電力隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，地鐵車站暗挖段底板埋深為21.7m，新建電力隧道拱頂埋深為31m，即擬建地鐵車站與新建電力隧道凈距為9.3m。其中新建電力隧道橫斷面尺寸為2200mm×2300mm，如圖1所示。地鐵車站主體暗挖段斷面，如圖2所示。模擬中對地鐵車站暗挖段開挖步簡化，開挖步如圖3所示。地鐵車站與新建電力隧道結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖1 新建電纜隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸（mm）

2 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算中地層以及初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬、二次襯砌采用殼單元模擬。為了減少邊界約束效應(yīng)的影響，計(jì)算范圍應(yīng)按左右邊界距離隧道中心線3～5倍的洞徑考慮，底部邊界應(yīng)按底部邊界距隧道底部距離3～5倍的隧道高度考慮。該模型左右各取20m，向下取至-16m處，上面取至地面。因?yàn)榭紤]到地鐵主體暗挖段對新建電力隧道而言主要是荷載釋放過程，可以不考慮車站主體暗挖段左右邊界的影響，因此，模型前后方向取40m范圍。該模型上表面為自由面，其余各面均加法向位移約束。模型如圖5所示。

目前，地鐵車站項(xiàng)目正在施工準(zhǔn)備階段尚未開工，按照工程實(shí)際情況，適當(dāng)簡化模型和地鐵車站暗挖段的施工，模擬地鐵車站施工過程當(dāng)中可能對電力隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的安全影響，提前預(yù)見可能出現(xiàn)的問題，及時(shí)作出解決預(yù)案，保證工程施工安全順利進(jìn)行。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)文件，新建電力隧道拱頂埋深10～14m之間，根據(jù)隧道縱斷面分布特點(diǎn)，最不利斷面處地層的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 施工前后隧道監(jiān)測斷面位移分析

選取模型中間斷面（Z=20m處）最具代表性的斷面作為監(jiān)測斷面。

擬建地鐵車站施工前新建電力隧道監(jiān)測斷面位移如圖6、圖7所示。

根據(jù)圖6、圖7計(jì)算結(jié)果可知，擬建地鐵車站施工前，新建電力隧道拱頂沉降值為7mm，仰拱隆起值為8mm，水平收斂6mm。

擬建地鐵車站暗挖段貫通后監(jiān)測斷面洞周收斂如圖8、圖9所示。

根據(jù)圖8、圖9計(jì)算結(jié)果得，當(dāng)擬建鐵車站暗挖段施工完成新建隧道拱頂沉降為-5mm，仰拱隆起20mm，水平收斂值為6mm。

圖2 地鐵車站暗挖段標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸（mm）

圖3 地鐵車站施工步簡化示意圖（mm）

圖4 新建隧道與地鐵車站結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 模型立體效果圖

表1 地層參數(shù)及各土層厚度

表2 支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

3.2 施工前后隧道監(jiān)測斷面初支應(yīng)力分析

為了減少邊界效應(yīng)的影響選取模型中間最具代表性斷面作為監(jiān)測斷面（Z=20m）。

擬建地鐵車站施工前新建電力隧道初期支護(hù)主應(yīng)力如圖10、圖11所示。

根據(jù)圖10可知擬建地鐵車站暗挖段施工前，新建隧道初期支護(hù)第一主應(yīng)力最大值在仰拱位置，其值為11.3MPa。拱頂位置第一主應(yīng)力值為8MPa。

根據(jù)圖11可知擬建地鐵車站暗挖段施工前，新建電力隧道初期支護(hù)第三主應(yīng)力最大值在墻角位置，其值為18.8MPa。

擬建地鐵車站施工完成新建電力隧道初期支護(hù)主應(yīng)力如圖12、圖13所示。

根據(jù)圖12可知擬建地鐵車站施工完成新建電力隧道初期支護(hù)第一主應(yīng)力最大值在拱頂位置其值為11.5MPa，比地鐵車站施工前拱頂位置第一主應(yīng)力增加了3.5MPa。

根據(jù)圖13可知擬建地鐵車站施工完成新建電力隧道初期支護(hù)第三主應(yīng)力最大值同樣在墻角位置其值為18.7MPa。比擬建地鐵車站施工前減少了0.1MPa。

新建隧道初期支護(hù)主應(yīng)力較大，現(xiàn)用二維有限元模型對初期支護(hù)進(jìn)行安全度檢算。

平面模型中初期支護(hù)主應(yīng)力如圖14、圖15所示，結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖16所示。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不得小于2.0。根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力表明，初支結(jié)構(gòu)各截面最小的安全系數(shù)為2.01，最大為29.34，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，初支結(jié)構(gòu)安全。

圖6 施工前監(jiān)測斷面豎向位移（m）

圖7 施工前監(jiān)測斷面水平位移（m）

圖8 監(jiān)測斷面圍巖豎向位移（m）

圖9 監(jiān)測斷面圍巖水平位移（m）

圖10 隧道初期支護(hù)第一主應(yīng)力（Pa）

圖11 隧道初期支護(hù)第三主應(yīng)力（Pa）

圖12 隧道初期支護(hù)第一主應(yīng)力（Pa）

圖13 隧道初期支護(hù)第三主應(yīng)力（Pa）

圖14 平面模型初期支護(hù)第一主應(yīng)力（Pa）

圖15 平面模型初期支護(hù)第三主應(yīng)力（Pa）

3.3 施工前后隧道監(jiān)測斷面二襯應(yīng)力分析

擬建地鐵車站施工前新建電力隧道二襯主應(yīng)力如圖17、圖18所示。

圖16 初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

圖17 電力隧道二襯第一主應(yīng)力（Pa）

圖18 電力隧道二襯第三主應(yīng)力（Pa）

圖19 電力隧道二襯第一主應(yīng)力（Pa）

圖20 電力隧道二襯第三主應(yīng)力（Pa）

根據(jù)圖17可知，擬建地鐵車站暗挖段施工前，新建電力隧道二襯第一主應(yīng)力最大值在仰拱位置為0.03MPa。拱頂位置第一主應(yīng)力值為0.01MPa。

根據(jù)圖18可知擬建地鐵車站暗挖段施工前，新建電力隧道二襯第三主應(yīng)力最大值在墻角位置為0.025MPa。

擬建地鐵車站施工完成新建電力隧道二襯主應(yīng)力如圖19、圖20所示。

根據(jù)圖19可知當(dāng)擬建地鐵車站暗挖段貫通后新建電力隧道二襯第一主應(yīng)力最大值發(fā)生在拱頂位置為2.98MPa，比地鐵車站施工前拱頂處增大了2.97MPa。

根據(jù)圖20可知當(dāng)擬建地鐵車站暗挖段貫通后新建電力隧道二襯第三主應(yīng)力最大值同樣在墻角位置其值為3.22MPa。比擬建地鐵車站施工前增大了3.2MPa。

同理，計(jì)算可得二襯結(jié)構(gòu)各截面最小的安全系數(shù)為6.88，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，二襯結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

1）擬建地鐵車站施工對新建電力隧道變形影響不大，擬建地鐵施工使新建電力隧道整體抬升12mm，對水平收斂基本無影響。

2）由計(jì)算結(jié)果可知，擬建地鐵車站施工對新建電力隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力有一定影響，經(jīng)過檢算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，新建電力隧道結(jié)構(gòu)安全。

【1】葛世平，廖少明，陳立生，等.地鐵隧道建設(shè)與運(yùn)營對地面房屋的沉降影響與對策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(3)∶550-556.

【2】孫洪碩，察福超，馮寶才，等.地鐵施工對電力隧道的安全影響分析［J］.市政技術(shù)，2013，33(3)∶109-113.

【3】張海波，殷宗澤，朱俊高.近距離疊交隧道盾構(gòu)施工對老隧道影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2005，26(2)∶282-286.

【4】黃宏偉，張冬梅.盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降及現(xiàn)場監(jiān)控[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001,20(增)∶1814-1820.

Analysis on the Safety Influence of the Proposed Subway Station Construction on the New Power Tunnel Structure

ZHU Xi-qing
(Urban Construction Design Institute of China Railway Shanghai Design Institute Group Co.Ltd.,Shanghai 200070,China)

With the rapid development of China's infrastructure construction,the subwayis built in more and more large and medium cities. However,complex existing pipelines are often affected by the subway station and its interval construction.Now a subway station needs to go through the existing power tunnel structure.The three-dimensional simulation was applied by the means of the large-scale finite element soft ware ANSYS,to analyze the displacement analysis of the power tunnel monitoring section,and the main stress analysis of the power tunnel monitoring section's structure before and after the construction of the proposed subway station.The results show that,the construction of the proposed subway station has a certain effect on that of the new power tunnel.According to the calculation of the internal for ce of the structure, the structure of the new power tunnel proves to be safe.

subway station;construction;power tunnel;safety analysis

TU94+2

A

1007-9467（2016）09-0067-04

2016-07-25

祝喜慶（1982～），男，江西上饒人，工程師，從事城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。