北京電力隧道近接施工數(shù)值模擬

張潔貞，李泉珍，麻景瑞

（1.貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550000；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)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(shí)施的需要，對(duì)崇文門路口地區(qū)多條地下管線進(jìn)行改移。本文評(píng)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?？v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(xì)砂、中粗砂，位于地下潛水位以上。圖中左側(cè)起點(diǎn)5號(hào)檢查井與地鐵5號(hào)線崇文門站西南出入口凈距0.995 m，見圖1。6號(hào)檢查井距5號(hào)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(jié)構(gòu)的平面關(guān)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(hù)，正常段每0.5 m一榀拱架沿內(nèi)外主筋外緣設(shè)置鋼筋網(wǎng)片。噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為 C20；網(wǎng)構(gòu)鋼架：HRB335主筋4φ18；雙層鋼筋網(wǎng)片：φ6－100×100；超前管棚：沿拱頂設(shè)置φ32鋼管，壓注改性水玻璃，每?jī)擅自O(shè)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(nèi)表面采用聚乙烯丙綸復(fù)合防水卷材做防水層，完后澆筑二襯模筑混凝土。

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

2 有限元計(jì)算模型

三維模型完全按照實(shí)際尺寸建模，計(jì)算范圍選取沿西南出入口結(jié)構(gòu)、5#檢查井和新建電力隧道60 m的范圍，考慮西南出入口結(jié)構(gòu)底板埋深為16.5 m，最終取50 m作為計(jì)算高度，即整個(gè)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(jié)構(gòu)及周圍土體采用實(shí)體單元（Solid45、Solid92），并進(jìn)行離散化，見圖2。

三維計(jì)算模型及力學(xué)分析的計(jì)算工況為從電力隧道設(shè)計(jì)起點(diǎn)（5#檢查井）開挖。開挖前對(duì)檢查井四周土體進(jìn)行加固處理，對(duì)電力隧道靠近西南出入口側(cè)1 m范圍進(jìn)行土體加固處理。電力隧道為淺埋暗挖法施工，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，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(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，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?jié)B等級(jí)P8，每次進(jìn)尺約3 m～4 m。三維模型圍巖及建筑材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及建筑材料的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 有限元模型示意圖

3 分析方法

采用三維實(shí)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(yīng)，考察電力隧道開挖過程中出入口結(jié)構(gòu)是否安全。通過分析三維模型計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行位移分析和內(nèi)力分析。位移分析主要依據(jù)電力隧道開挖時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沉降量和沉降差，通過其與允許值比較，定量判斷結(jié)構(gòu)安全性。內(nèi)力分析主要依據(jù)電力隧道開挖時(shí)對(duì)西南出入口結(jié)構(gòu)的沉降影響從而確定其不均勻沉降，由此計(jì)算5#檢查井施工和電力隧道開挖對(duì)西南出入口結(jié)構(gòu)引起的附加內(nèi)力。這一附加內(nèi)力與原設(shè)計(jì)荷載和特載計(jì)算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行疊加，得到結(jié)構(gòu)的總內(nèi)力，將總內(nèi)力與地鐵車站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行比較，來評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 沉降分析

圖3 西南出入口沉降考察區(qū)域位置圖

考察西南出入口結(jié)構(gòu)位移考察區(qū)域1，設(shè)置12個(gè)考察點(diǎn)，見圖4、圖5。

考察出入口結(jié)構(gòu)考察區(qū)域2，選取地鐵結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)截面上8個(gè)點(diǎn)作為考察點(diǎn)，見圖6。

圖4 位移考察區(qū)域1沉降分析（考察點(diǎn)1～6）

圖6 位移考察區(qū)域2沉降分析

4.2 既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

出入口考察區(qū)域見圖7。

圖7 出入口考察區(qū)域位置圖

橫向、縱向考察區(qū)域最不利截面彎矩圖，見圖8、圖9。

圖8 橫向考察區(qū)域2的彎矩圖

圖9 縱向考察區(qū)域2的彎矩圖

5 結(jié)果分析

5.1 西南出入口結(jié)構(gòu)安全性結(jié)果分析

5.1.1 橫截面承載力評(píng)價(jià)

考慮使用荷載和施工引起附加荷載情況下，西南出入口結(jié)構(gòu)橫截面滿足結(jié)構(gòu)承載力要求、抗裂要求和抗扭要求。西南出入口結(jié)構(gòu)橫斷面在預(yù)測(cè)沉降范圍內(nèi)是安全的。

5.1.2 縱截面承載力評(píng)價(jià)

電力隧道在開挖進(jìn)尺控制4 m左右時(shí)，考慮使用荷載和施工引起附加荷載情況下，出入口結(jié)構(gòu)縱截面滿足結(jié)構(gòu)承載力要求、抗裂要求和抗扭要求。出入口結(jié)構(gòu)縱斷面在預(yù)測(cè)沉降范圍內(nèi)是安全的。

綜合評(píng)價(jià)出入口結(jié)構(gòu)內(nèi)力和沉降，如果嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件做好支護(hù)、緊跟開挖做好初期支護(hù)、嚴(yán)格執(zhí)行短進(jìn)尺、緊封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)等技術(shù)措施，西南出入口結(jié)構(gòu)是安全的。

5.2 東南出入口結(jié)構(gòu)安全性結(jié)果分析

新建電力隧道及6#檢查井緊接?xùn)|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(jié)構(gòu)形式與西南出入口結(jié)構(gòu)形式類似，根據(jù)工程類比知，電力隧道施工對(duì)西南出入口的影響在規(guī)范允許范圍內(nèi)是安全的，則東南出入口結(jié)構(gòu)在電力隧道施工中亦是安全的。

6 結(jié)論

（1）通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，按照設(shè)計(jì)方案施工，檢查井及電力隧道近接地鐵車站出入口結(jié)構(gòu)施工的全過程中，地鐵結(jié)構(gòu)最大隆起預(yù)測(cè)值約為1.82 mm，施工管理取1.4 mm，地表沉降規(guī)定的限制以內(nèi)，因此原設(shè)計(jì)方案可行。

（2）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，注漿加固方法通過提高圍巖的粘聚力系數(shù)達(dá)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(qū)分布范圍和地表沉降。

7 建議

（1）通過計(jì)算可知，最危險(xiǎn)位置在出入口結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處（考察區(qū)域1的考察點(diǎn)3處），施工時(shí)要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)其位移。若超過管理值，或變形速率過快，應(yīng)立即采取加固措施，減少結(jié)構(gòu)位移。

（2）施工過程中要遵循淺埋暗挖法施工原則：管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)。

（3）嚴(yán)格按信息化施工原則進(jìn)行施工管理，勤量測(cè)，發(fā)現(xiàn)洞周位移過快、超過控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)加固措施，如圍巖內(nèi)注漿、掌子面注漿、加密鋼支撐、盡快封閉初期支護(hù)、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(jù)相關(guān)規(guī)范制定詳細(xì)的施工監(jiān)控量測(cè)計(jì)劃，嚴(yán)格執(zhí)行。

1 仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對(duì)策的研究［D］.西南交通大學(xué)，2003：6

2 聞毓民.兩孔平行盾構(gòu)隧道近接施工的力學(xué)行為分析［D］.西南交通大學(xué)，2005：8

3 章立峰、劉建國.地鐵區(qū)間隧道施工過程動(dòng)態(tài)模擬分析［J］.隧道建設(shè)，2003.23（6）：3～5

4 孔祥鵬、留國彬、廖少明.明珠線二期上海體育館地鐵車站穿越施工對(duì)地鐵一號(hào)線車站的影響.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004.23（5）：821

5 張志強(qiáng)、何 川.深圳地鐵隧道鄰接樁基施工力學(xué)行為研究.巖土工程學(xué)報(bào)，2003.25（2）：204