某軌道風(fēng)道施工對(duì)臨近軌道主體的影響分析

王貴珍，彭軍

（1重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400037；2重慶大學(xué)，重慶 400045）

0 引言

軌道施工對(duì)于附近已有建筑的應(yīng)力和位移會(huì)產(chǎn)生影響，并且其變化會(huì)隨著施工的進(jìn)程而變化。本文結(jié)合重慶市軌道交通紅旗河溝站的工程實(shí)例，分析軌道6號(hào)線風(fēng)道開挖對(duì)臨近軌道3號(hào)線主體結(jié)構(gòu)和其出入口通道的影響[1]，控制其不均勻的沉降[2]，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)將造成地表建筑物沉降、傾斜甚至開裂[3]，故必須進(jìn)行安全評(píng)估及驗(yàn)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(hào)線風(fēng)道及周邊各構(gòu)建物的三維空間模型，采用ANSYS建模，利用FLAC3D進(jìn)行施工模擬，在模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，分析風(fēng)道施工對(duì)軌道3號(hào)線主體結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)安全，并進(jìn)行安全評(píng)估。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

地層分別第四系全新統(tǒng)的人工填土層(Q4ml)和侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)。根據(jù)地層的新老關(guān)系，其巖性厚度和基本質(zhì)量等級(jí)特征分別為：素填土——一般厚2.2～8.8m；雜填土——厚6.3m；粉質(zhì)粘土——厚2.50m；砂巖——巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅲ級(jí)；泥質(zhì)砂巖——巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)；基巖強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般約0.4～1.1m左右。

1.2 施工方案

由于施工場(chǎng)地協(xié)調(diào)困難，將軌道6號(hào)線出口延伸到臨近軌道3號(hào)線一側(cè)。軌道6號(hào)線B風(fēng)道方案施工對(duì)與之鄰近的構(gòu)建物有一定的影響。與之相鄰的地下構(gòu)建物有：（1）軌道3號(hào)線車站（已建成），水平距離6m左右；（2）軌道6號(hào)線車站（在建），與之正交；（3）軌道6號(hào)線另一風(fēng)道（上穿此風(fēng)道，未建成），豎向距離12.8m；（4）軌道3號(hào)線出入口通道（上穿緊鄰風(fēng)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(jù)車站標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸確定分析模型范圍。計(jì)算模型的邊界范圍按照以下原則進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分[4-6]。模型如圖2所示。

圖2 分析模型

結(jié)合巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告將模型簡(jiǎn)化為三個(gè)地層，分別為素填土、中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層。

將ANSYS中建立的模型導(dǎo)入到FLAC3D[7]分析軟件中進(jìn)行施工模擬。

2.2 施工模擬

為分析每步施工過(guò)程對(duì)既有軌道3號(hào)線和人行通道的影響，根據(jù)施工過(guò)程，將施工段分為14步，也就是完成每步施工段后對(duì)軌道3號(hào)線和人行通道進(jìn)行分析。1-9步豎向井的開挖，10-12步為水平風(fēng)道的開挖，13步是母風(fēng)道轉(zhuǎn)彎部位的開挖，14步是風(fēng)道直段的開挖，并且每段開挖后要進(jìn)行支護(hù)。

3 對(duì)軌道3號(hào)線的影響分析

3.1 位移分析

圖3 為軌道6號(hào)線風(fēng)道全部施工完成后的軌道3號(hào)線襯砌位移等值線及矢量圖。由圖可知，整個(gè)風(fēng)道開挖引起軌道3號(hào)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(fēng)井之間的拱腰位置上，這主要是由于疏散井和排風(fēng)井尺寸相對(duì)新風(fēng)井較大且距離較近的原因，因此施工中需對(duì)該部位加強(qiáng)監(jiān)控。

圖3 軌道3號(hào)線襯砌位移等值線及矢量圖（單位：m）

圖4 為14個(gè)施工步的軌道3號(hào)線襯砌位移最大值曲線。由圖可知，軌道3號(hào)線襯砌位移最大值并不是出現(xiàn)在施工完成后，而是出現(xiàn)在整個(gè)豎井施工完成后。而進(jìn)行風(fēng)道水平段開挖后，襯砌位移會(huì)出現(xiàn)一定的減小。而從圖中也可以看出，在對(duì)風(fēng)道豎井上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行開挖時(shí)，3號(hào)線的襯砌也不是很大，而當(dāng)風(fēng)道開挖至和3號(hào)線同一水平時(shí)，襯砌變形會(huì)有一個(gè)躍階，因此施工至該步驟時(shí)需注意加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

圖4 各施工步完成后軌道3號(hào)線襯砌的最大位移曲線圖

3.2 應(yīng)力分析

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

圖5 軌道3號(hào)線襯砌在風(fēng)道未施工時(shí)最大主應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

圖6 施工第9步完成后軌道3號(hào)線襯砌最大主應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

圖7 全部施工完成后軌道3號(hào)線襯砌最大主應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

對(duì)比施工前后可知，風(fēng)道施工后主應(yīng)力的分布特征并沒(méi)有特別大的變化，最大主應(yīng)力值較開挖前增加了不到0.1MPa，表明風(fēng)道的開挖對(duì)軌道3號(hào)線應(yīng)力的影響較小。

綜合對(duì)軌道3號(hào)線襯砌位移和應(yīng)力的分析表明，由于靠近軌道3號(hào)線的豎井尺寸不是很大，整個(gè)風(fēng)道的開挖施工對(duì)軌道3號(hào)線的影響不是很大。而軌道3號(hào)線襯砌的位移主要產(chǎn)生在豎井與軌道3號(hào)線同一水平的豎井開挖時(shí)，此時(shí)應(yīng)注意控制豎井每步的開挖進(jìn)尺，并加強(qiáng)對(duì)軌道3號(hào)線襯砌在疏散井和排風(fēng)井之間的拱腰位置的監(jiān)控量測(cè)。

4 對(duì)軌道3號(hào)線2號(hào)出入口通道的影響分析

4.1 位移分析

圖8 為軌道3號(hào)線2號(hào)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(gè)風(fēng)道施工完成后，通道將會(huì)產(chǎn)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(fēng)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(gè)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(fēng)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(shí)，這主要是該段施工時(shí)離人行通道距離最近的緣故。而由于三個(gè)水平的分風(fēng)道位于人行通道的正下方，因此水平分風(fēng)道的開挖也會(huì)引起人行通道位移的增加，在分風(fēng)道完成后位移值達(dá)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(yīng)力分析

圖11 和圖12分別為軌道3號(hào)線風(fēng)道施工前后的人行通道最大主應(yīng)力分布圖。由圖可知人行通道最大主應(yīng)力最大值主要集中在與6號(hào)線結(jié)合的地方，最大值達(dá)到了9.3MPa，而與風(fēng)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(duì)圖11和圖12的對(duì)比可以看出，整個(gè)風(fēng)道的開挖會(huì)使人行通道的最大主應(yīng)力增加0.2MPa左右，表明風(fēng)道的開挖對(duì)人行通道應(yīng)力的影響并不是很大。

圖11 人行通道在整個(gè)施工完成后最大主應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

圖12 人行通道在未進(jìn)行風(fēng)道施工時(shí)最大主應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

綜合對(duì)人行通道位移和應(yīng)力的分析表明，整個(gè)風(fēng)道的施工對(duì)人行道的影響不是很大，施工中需注意且加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的是在豎井施工至離人行通道較近位置的階段。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，得出如下結(jié)論。

（1）軌道6號(hào)線風(fēng)道的施工對(duì)已有的軌道3號(hào)線、軌道3號(hào)線2號(hào)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(shuō)明軌道6號(hào)線風(fēng)道采用三個(gè)獨(dú)立豎井且跳槽施工的設(shè)計(jì)和施工方案基本可行。

（2）風(fēng)道對(duì)軌道3號(hào)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(hào)線同一水平段時(shí)。因此建議在施工至該階段時(shí)，需嚴(yán)格控制豎井開挖進(jìn)尺，盡可能減小擾動(dòng)，并對(duì)軌道3號(hào)線與豎井對(duì)應(yīng)的拱腰位置加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（3）風(fēng)道對(duì)人行通道的影響主要體現(xiàn)在豎井下部至水平分風(fēng)道完成的階段，因此在該階段施工時(shí)需注意減小擾動(dòng)。人行通道受影響較嚴(yán)重部位為位于疏散井和排風(fēng)井水平段之間的上方拱底位置，因此建議對(duì)該部位應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（4）建議采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息法施工；施工過(guò)程中縮短掘進(jìn)回次長(zhǎng)度、減少炸藥裝藥量、并及時(shí)對(duì)完成部分進(jìn)行襯砌。

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