新建電纜隧道工程穿越地鐵站天橋安全評估

吳漱月

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100000)

1 工程概況

閆焦一二T洪寺變電站110 kV送電工程L3主線新建電纜隧道2#豎井～3#豎井段穿越饒樂府地鐵站行人天橋為確保L3主線新建電纜隧道(以下簡稱電力隧道)施工過程中饒樂府地鐵站天橋的安全，對新建電纜隧道施工對饒樂府地鐵站天橋影響計算分析、安全性評估等工作。

1.1 新建工程概況

擬建閆焦一二T接洪寺變電站110 kV送電工程(電纜隧道)場地位于北京市房山區城關街道、閻村鎮，包括4條主線。其中L3線L3#～2#豎井～L3～3#豎井之間的區段施工處于地鐵保護范圍內，需對其施工過程對地鐵的影響開展安全評估。

L3主線新建電纜隧道為石房線鐵路東側現狀電力隧道東側末端起至在建“地鐵燕房線穿越工程”電力隧道，具體路徑為：自石房線鐵路東狀電力隧道東側末端連接后沿京周路北紅線以南9.5 m向東至大石河，L3主線沿京周路北側綠化帶內敷設，共設檢查井13座。

隧道凈斷面尺寸：2.0 m×2.3 m單孔電纜隧道，隧道寬度為2.0 m，起拱線的高度1.85 m，內凈高度2.3 m，在隧道內部一側設有人行步道，在隧道的兩側分別安裝電纜支架@1 000。拱頂、側墻和底板初襯、二襯結構厚度均為250 mm。

隧道的施工做法：噴射混凝土、網構鋼架、鋼筋網支護相結合的方法。所有豎井所使用的施工方法是倒掛井壁法，復合襯砌結構，初襯為300 mm厚C20噴射混凝土+鋼格柵，二襯為C40模筑防水混凝土，其中D4.0 m和D5.2 m圓井，頂板及側墻為300 m厚，底板為400 mm。6.0 m×6.0 m四通井二村項板厚400 mm，側墻厚50 mm，底板厚600 mm。

L3～2#豎井為Φ5.2 m圓豎井，采用倒掛井壁法施工。工藝流程：注漿加固圈梁土方開挖圈梁施工圈梁上臨時支護施工豎井初襯結構施工。在隧道施工前首先對松散地層采用小導管的方式進行超前注漿以加固土體，以保證開挖期間土體的穩定。

1.2 既有地鐵設施概況

饒樂府站天橋跨京周路，天橋、墩柱、臨時樓梯采用鋼結構，基礎采用樁基礎。。

1.3 地層巖性及分布特征

本標段場地位于山區構造剝蝕丘陵與沖洪積平原的過渡地帶，場區范圍內地形起伏變化較大，整體地勢東西高，中間底。勘探期間測量的鉆孔孔口處地面標高為42.42～59.82 m。

根據對相關地質在施工影響范圍內的地層按成因類型、沉積年代可分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀沉積層、白堊紀沉積層及燕山期侵入巖五大類，并可以按巖性及工程特性進一步細分為6個大層及亞層。

2 安全評估內容

2.1 評估范圍

根據新建隧道工程與既有燕房線地鐵的相對位置關系以及相關規范中對于地鐵保護范圍的規定，選取了本次評估的范圍，范圍為沿既有地鐵線路橫向方向120 m，線路縱向100 m，土層厚度60 m。

2.2 評估內容

(1)選取典型工點，按照最不利影響考慮，建立三維數值計算模型，模擬新建工程穿越既有地鐵燕房線施工過程，提供燕房線既有地鐵結構受施工影響的變形分析結果。

(2)根據計算結果，分析新建工程穿越對既有地鐵結構的安全性影響。

(3)對新建隧道工程施工工藝、步序、以及施工過程中需采取的保護措施等提出建議。

2.3 評估思路

新建工程穿越地鐵燕房線饒樂府地鐵站天橋，施工對既有饒樂府地鐵站天橋的安全性影響評估重點研究內容。整個過程包括資料收集、地質條件分析、設計和現狀調查、施工前現狀檢測資料，通過建立數值模型、相似工程類比和專家評審等多種方法，預測施工引起燕房線饒樂府地鐵站附屬天橋結構的變形規律，在此基礎上對既有饒樂府地鐵站附屬天橋結構是否安全，地鐵結構是否滿足運營要求。

2.4 評估方法

本次計算采用Midas軟件，模擬電力隧道的施工對既有燕房線饒樂府地鐵站過街天橋結構安全性的影響，從而確定天橋的變形分析結果，評估地鐵結構的安全性。根據相關安全的要求，綜合各種影響因素，最終確定新建電力管線施工過程中，對于既有的地鐵附屬結構的相關保護措施。

3 穿越施工對既有地鐵結構影響的安全性評估

3.1 計算模型

因電力隧道施工過程中存在影響區域，在確定數值模型的影響范圍時取新建工程與既有地鐵附屬結構有效影響范圍，本次所建評估模型的長度和寬度分別為100 m和120 m，自地表60m厚的地層土體作為模型中的主要考察范圍。重點分析既有的饒樂府地鐵站天橋由于電力隧道施工過程中受影響所產生的變形情況。

本次數值模擬計算過程中對模型周圍的地層選取實體單元，不同的地層根據其屬下采用不同的材料本構模型，對于模型的上部約束設置為自由邊界，而其余3個臨空面都建立為法向約束。

模型的外部附加荷載需要考慮以下方面。

(1)地鐵結構本身的重力；

(2)土體在豎直方向的重力；

(3)橋梁結構及基礎自重；

(4)地面超載20 kPa。

計算模型中根據不同的材料選擇不同的本構模型進行模擬，對于混凝土材料采用彈性模型，各層土體選擇修正摩爾庫倫準則。土層和混凝土結構材料采用實體單元，模型中不同地層的相關力學參數根據地質勘察報告中進行選取，土層及結構參數如表1所示。

表1 地層計算參數

3.2 模擬工序

根據新建電力隧道的施工步驟，在模型進行計算時，按照最不利的情況將施工模擬階段分為4個施工階段包括生成初始應力場(位移清零)、地鐵結構施工(位移清零)、豎井施工階段、電力隧道施工階段。

3.3 變形預測

新建電力工程在其修建過程對饒樂府地鐵站天橋產生一定程度的附加變形，為了解有效附加變形的情況，將分析各施工階段下天橋的豎向變形以及橫向變形。為了簡潔、直觀地反映出天橋的變形情況及其變形規律，將對各施工階段施工完成后天橋結構的變形云圖進行分析，建立天橋結構的變形結果和規律。

由計算結果可知，新建工程施工過程中，既有地鐵結構的豎直方向的最大變形值為0.29 mm，為沉降變形，變形部位為燕房線饒樂府天橋靠近施工的位置。橫向變形最大值為0.16 mm，朝向施工開挖方向，變形部位為天橋橋墩的位置，地鐵天橋既有結構豎向和橫向最大變形結果見表2所示。

表2 既有地鐵結構最大變形結果

4 結 論

根據所建立的三維地層-結構數值模型，對既有天橋結構的變形計算分析可以分析，由于新建電力隧道工程的施工，既有天橋結構在一定程度上發生了豎向變形和橫向的變形。將本次模型分析計算所得的變形結果提取并匯總如表4所示。

表4 既有地鐵結構最終變形結果匯總

根據施工引起的既有地鐵結構預測變形值以及變形云圖進行分析可以得出如下結論：根據對風險點的分析，新建電力隧道施工對于既有地鐵的結構具有一定的影響，變形值在運營安全允許范圍之內。在正常的施工條件下，采取相應的保護措施，能確保地鐵附屬結構的安全。

為了保證施工過程中的安全，監測控制指標的制定依據相關規范標準、其他類似工程經驗和現場監測數據制定，在綜合考慮預測變形值與結構容許變形值的基礎上，預留一定的安全系數，確定既有地鐵受響范圍內的地鐵結構變形控制指標。

根據以上結論以及工程實際特點，同時依據現有常規測量儀器的監測精度，綜合結構安全要求及變形預測結果，確定變形控制值。并將控制值的80%作為報警值，70%作為預警值。對新建電力隧道施工影響下，既有地鐵結構的監測控制指標，綜上得出控制指標具體如表5所示。

表5 既有地鐵結構變形控制指標