地鐵隧道近距離下穿輸水暗涵安全影響研究

翟明杰楊進新付云升朱銀邦

（1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 100048；2.中國水利水電科學研究院 北京100048）

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷發(fā)展，穿越、跨越和鄰近既有工程的新建工程逐年增多。新建工程鄰近既有工程施工，會引起既有工程結(jié)構(gòu)的變形和附加應力，進而影響既有工程的安全運行。目前，國內(nèi)外關(guān)于對于暗挖施工穿越既有工程的研究已經(jīng)取得了一些成果，陶連金等提出了盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全的評估方法［1，2］；何川等研究了盾構(gòu)隧道施工對已建平行隧道變形和附加內(nèi)力的影響［3］；王子甲等研究了雙線暗涵近距離下穿既有地鐵車站的影響及變形控制［4，5］；童立元、白海衛(wèi)等研究了新建隧道下穿上部既有地鐵隧道的安全影響及變形規(guī)律［6，7］；朱蕾等研究了盾構(gòu)近距離下穿對上覆已建隧道影響的實測數(shù)據(jù)［8］；仇文革等系統(tǒng)地分析了地下工程近距離施工的力學原理和施工對策［9］；白廷輝等系統(tǒng)地分析了盾構(gòu)近距離下穿對既有地下構(gòu)筑物的影響［10］。

目前少有關(guān)于新建工程穿越施工對大型水工輸水暗涵的安全影響研究，特別是結(jié)合實際施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)反演，進而分析穿越施工對既有輸水暗涵安全影響的實例更是少見。與一般既有地下構(gòu)筑物相比，輸水暗涵具有如下特點：①現(xiàn)狀檢測難：由于輸水暗涵長期處于輸水狀態(tài)，很難對現(xiàn)狀進行檢測評估；②監(jiān)控量測難：對輸水暗涵而言，地表沉降數(shù)值容易進行監(jiān)測，但是暗涵本身沉降及應力數(shù)值等不易監(jiān)測；③發(fā)生事故后補救困難：對于輸水暗涵，一旦發(fā)生問題，必須進行停水檢修加固，影響較大。

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)安全就意味著內(nèi)力和變形均不超過限值，而內(nèi)力又是和變形密切相關(guān)的，且變形特別是地面沉降在實際施工中比較容易進行監(jiān)測，因此本文期望通過分析地面沉降數(shù)據(jù)來間接判斷結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

本文以北京某新建地鐵隧道下穿既有南水北調(diào)輸水暗涵工程為對象，研究了地鐵隧道近距離下穿輸水暗涵對既有暗涵結(jié)構(gòu)及運行的安全影響，并采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合施工方案及監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用反演分析方法對穿越施工進行后評價分析研究，進而判斷穿越施工對既有南水北調(diào)暗涵工程的安全影響，并驗算計算模型假定及參數(shù)的合理性，對今后類似穿越工程的安全評價具有借鑒作用。

1 工程概況

1.1 穿越段地鐵隧道設(shè)計情況

穿越段地鐵隧道采用礦山法施工，地鐵隧道與輸水暗涵豎向凈距為1.98m。地鐵采用左右線雙洞設(shè)計，隧道結(jié)構(gòu)尺寸及與輸水暗涵相對高程關(guān)系如圖1所示。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)型式為馬蹄形斷面，高6.5m，寬6.2m，采用復合式襯砌，外側(cè)初期支護為0.25m噴射混凝土，二襯結(jié)構(gòu)為0.3m厚C40，P10鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。兩區(qū)間隧道線間距為14m。

與普通段相比，穿越段采取了如下加固措施：在影響范圍前后10m內(nèi)，格柵加密為0.5m，增加臨時仰拱（I18a臨時支撐），拱部采用雙排φ25mm小導管超前支護，采用快凝快硬漿液，回填注漿緊跟，開挖過程中，減小開挖步距控制在0.5m，增加臨時仰拱，使上半斷面快速封閉，并及時打設(shè)鎖腳錨管。初襯完成后，及時加強背后充填注漿。交叉區(qū)段地鐵區(qū)間注漿加固橫斷面如圖2所示。

圖1 隧道與暗涵相對位置關(guān)系Fig.1 Cross-section of the tunnel in relation to the buried culvert

圖2 地鐵隧道注漿加固橫斷面示意Fig.2 Cross-section of grouting reinforcement of subway tunnel

1.2 穿越段輸水暗涵設(shè)計情況

穿越段輸水暗涵采用雙管低壓輸水方案，工程主體采用2孔φ4.0m并行圓涵，暗挖段圓涵為復合式襯砌結(jié)構(gòu)，采用淺埋暗挖法修建，正臺階法開挖。初期支護為格柵鋼架加鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，厚300mm；二襯為模筑鋼筋混凝土，厚300mm。穿越段輸水暗涵橫斷面如圖3所示。

1.3 穿越段地質(zhì)情況

地鐵區(qū)間隧道穿越地層及地鐵與暗涵之間土層為卵石層，該卵石層個別粒徑＞20cm，一般4cm～6cm，亞圓形，中粗砂填充，卵石含量約70%，滲透系數(shù)大，為強透水層，適宜漿液的擴散，可注漿性較好。地鐵與暗涵之間卵石層屬Ⅵ級圍巖，圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍落現(xiàn)象。地下水類型為潛水，施工期水位位于區(qū)間結(jié)構(gòu)以下。

圖3 輸水暗涵橫斷面示意Fig.3 Cross-section of conveyance buried culvert

2 監(jiān)控量測

2.1 監(jiān)測點布置

監(jiān)測布點的范圍為在影響范圍內(nèi)（隧道1倍的埋置深度）構(gòu)筑物上布置測點。沿南水北調(diào)涵洞縱向正上方分別布置4個測點，兩涵洞中間布置3個測點，共11個測點，具體布點見圖4。

圖4 沉降測點布置Fig.4 The sistribution of sag monitoring points

2.2 監(jiān)測結(jié)果

如表1及圖5所示，暗涵上方地表最大沉降為4.98mm，沉降速率最大為0.02mm/d。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of monitoring data

圖5 暗涵地面沉降曲線Fig.5 Ground vertical subsidence of buried culvert

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析評價

從監(jiān)測方案可見，地表沉降測點基本覆蓋了穿越施工的主要影響區(qū)域，地面沉降曲線規(guī)律是合理的，可以為計算分析提供參考。

對于穿越既有暗涵結(jié)構(gòu)施工而言，我們關(guān)心的是既有暗涵結(jié)構(gòu)的直接變形，因此變形監(jiān)測點應直接埋設(shè)在既有暗涵結(jié)構(gòu)上為宜。但是由于本工程兩條輸水暗涵分別在西四環(huán)內(nèi)環(huán)、外環(huán)主路下方，與四環(huán)路平行，受現(xiàn)場條件所限，人員設(shè)備無法進入四環(huán)主路監(jiān)測，所以施工采用遠距離非接觸的觀測方法對南水北調(diào)暗涵進行監(jiān)測，由此得出的監(jiān)測結(jié)果并不能直接反映暗涵結(jié)構(gòu)的直接變形，只能通過數(shù)值模擬反分析的手段來間接分析暗涵結(jié)構(gòu)的變形及應力，進而分析穿越施工對既有暗涵的影響。

3 有限元數(shù)值模擬分析

本工程地鐵隧道已經(jīng)完成下穿輸水暗涵的施工，且區(qū)間二襯已全部施作完畢。考慮到地鐵隧道施工及運行可能對暗涵結(jié)構(gòu)及運行安全產(chǎn)生影響，有必要根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析地鐵工程下穿施工對輸水暗涵的影響，對穿越施工進行后評價，以保證新建工程與既有工程的安全。

3.1 計算假定及荷載工況

有限元計算是基于土體為均質(zhì)密實的假定基礎(chǔ)上進行的，不考慮地層土體或注漿區(qū)存在缺陷、空洞等情況。

地鐵隧道下穿輸水暗涵影響分析主要分為施工期和運行期兩種工況，施工期影響分析主要考慮地鐵隧道開挖對暗涵的影響，運行期影響分析主要考慮地鐵通車后列車振動荷載對暗涵的影響。

3.2 計算模型

1.模型假定

本文中地鐵隧道下穿暗涵施工屬于三維交叉問題，計算模型的設(shè)定滿足以下條件：

（1）模擬穿越區(qū)域地層情況；

（2）詳細模擬暗涵、地鐵隧道等主要建筑物；

（3）模型大小滿足計算精度要求；

（4）有限元軟件中主要通過應力釋放率模擬地鐵隧道淺埋暗挖施工應力釋放過程，此參數(shù)對有限元計算結(jié)果有著重要影響，是本次反演分析的主要目標參數(shù)。

2.模型建立

本文分析采用三維有限元計算模型，應用非線性有限元分析通用軟件ABAQUS，進行地鐵隧道工程下穿輸水暗涵的影響分析研究。計算建立三維有限元模型，見圖6及圖7。采用實體單元模擬地鐵隧道、輸水暗涵及周圍土體，模型節(jié)點總數(shù)157165個，單元總數(shù)141712個。

邊界條件考慮如下：模型側(cè)面均采用水平法向位移約束，底部采用固定位移約束。

3.材料力學指標

計算時所采用的材料力學指標如表2所示。土體材料本構(gòu)模型采用Drucker-Prager屈服準則。

圖6 三維有限元計算模型Fig.6 3D FEM model

圖7 有限元計算模型局部網(wǎng)格剖分Fig.7 Local mesh subdivision of FEM model

表2 材料參數(shù)Tab.2 Parameters of materials

3.3 結(jié)果分析

影響三維非線性有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果的因素有很多，比如選用的土體本構(gòu)模型、材料力學參數(shù)、施工工序等，對此已有一些研究成果［11］，對于此類參數(shù)本文主要結(jié)合以往研究成果、地質(zhì)提供參數(shù)、工程實際施工過程等進行模擬取值，鑒于篇幅，不在文中做詳細論述。以下主要分析對地表沉降影響明顯的土體開挖應力釋放率，此參數(shù)與施工過程密切相關(guān)。

1.地鐵隧道施工期對暗涵影響分析

根據(jù)施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，隧道與暗涵交叉處地面實測沉降最大為4.98mm。暗涵軸線方向地面及涵頂沉降如圖8及圖9所示。

圖8 暗涵軸線方向地面沉降Fig.8 Ground vertical subsidence in axis direction of buried culvert

圖9 暗涵軸線方向涵頂沉降Fig.9 Top vertical subsidence in axis direction of buried culvert

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對應力釋放率進行反演分析計算，目標是隧道與暗涵交叉處地面計算沉降與實測值4.98mm相符。經(jīng)多次反演計算，本工程應力釋放率取70%時，計算結(jié)果地表沉降等數(shù)值與實測值基本相符，以下計算結(jié)果均以此為基礎(chǔ)。

暗涵在初始場時最大拉應力值及最大壓應力值分別為1.4MPa及3.3MPa，沿軸線方向最大拉應力為0.3MPa，軸線方向應力值不大。地鐵下穿施工對西四環(huán)暗涵的影響主要是引起暗涵軸線方向的不均勻沉降，進而引起暗涵的軸向附加應力，而暗涵原設(shè)計軸線方向為非主要受力方向，采用構(gòu)造配筋。通過有限元計算結(jié)果可知，地鐵下穿施工對既有暗涵環(huán)向應力影響很小，地鐵下穿前后暗涵環(huán)向最大拉應力由1.8MPa減小為1.75MPa，減小幅度均未超過5%，基本可忽略其影響，以下著重對暗涵軸線方向應力進行分析。

暗涵在地鐵隧道開挖與襯砌施工時最大沉降量為5.02mm，最大拉應力值及最大壓應力值分別為1.4MPa及3.6MPa。由于地鐵隧道開挖引起暗涵與隧道交叉部位沉降，暗涵沿軸線方向產(chǎn)生了不均勻沉降，暗涵沿軸線方向最大拉應力由0.3MPa增大到1.4MPa，未超過C30混凝土的抗拉強度設(shè)計值。暗涵最大拉應力云圖如圖10所示。

圖10 暗涵軸線方向應力云圖Fig.10 Stress cloud map in axis direction of buried culvert

2.地鐵隧道運行期對暗涵影響分析

（1）地鐵列車振動荷載對暗涵影響分析

對模型施加運行期地鐵列車振動荷載，應用非線性有限元分析通用軟件ABAQUS進行了運行期暗涵影響分析。本分析的應力、位移值為地鐵列車振動荷載引起的附加值，見表3。

表3 地鐵列車振動荷載引起的附加值Tab.3 The additional value of subway train vibration load

從計算結(jié)果可知，地鐵列車振動的影響范圍主要位于地鐵隧道與暗涵交叉處附近，隧道與暗涵之間夾層土體灌漿與否，對暗涵的受力影響很小，但隧道與暗涵區(qū)間已灌漿時的最大總位移比隧道與暗涵區(qū)間未灌漿時略小，應力比隧道與暗涵區(qū)間未灌漿時略大。由于列車振動荷載較小，暗涵總體的位移、應力值均很小，暗涵總位移值在隧道與暗涵之間土體已灌漿時為0.128mm，在隧道與暗涵之間土體未灌漿時為0.131mm；作用在暗涵襯砌混凝土上的最大拉應力值在隧道與暗涵之間土體已灌漿時為25.3kPa，隧道與暗涵之間土體未灌漿時為24.8kPa；最大壓應力值在隧道與暗涵區(qū)間已灌漿時為23.9kPa，隧道與暗涵區(qū)間未灌漿時為23.8kPa，隧道與暗涵之間土體灌漿與否對運行期列車振動荷載對暗涵的影響并不明顯。

以上的附加應力值與混凝土強度相比均較小，因此，暗涵受到地鐵列車振動的影響不大。

（2）隧道與暗涵區(qū)間灌漿的力學參數(shù)（彈性模量E）敏感性分析

力學參數(shù)敏感性分析主要考慮彈性模量E取值變化，結(jié)果如表4所示。

表4 地鐵列車振動荷載作用下區(qū)間灌漿參數(shù)敏感性分析Tab.4 The sensitivity analysis of grouting parameters under subway train vibration load

從表4可見，暗涵的位移、壓應力隨著彈性模量的增大而減小，但拉應力隨著彈性模量的增大而增大。以上的附加應力值與混凝土強度相比均較小，暗涵的受力狀態(tài)沒有大的變化，故隧道與暗涵區(qū)間灌漿的彈性模量對暗涵受力及變形影響很小。

3.4 有限元模擬分析結(jié)論

針對地鐵隧道工程與南水北調(diào)輸水暗涵交叉的狀況，考慮到地鐵施工及運行可能對暗涵結(jié)構(gòu)及運行安全產(chǎn)生影響，本文采用有限元方法進行了地鐵隧道下穿暗涵的影響分析，經(jīng)過多工況的計算，得出如下結(jié)論：

（1）通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，經(jīng)過多次反演計算，得到的地鐵隧道與暗涵交叉位置的地面沉降位移為5.02mm，與實際地面最大沉降量4.98mm基本相符，此時暗涵的頂面沉降量為4.68mm。

（2）地鐵隧道開挖施工對暗涵的影響主要是增大了暗涵沿軸線方向最大拉應力，開挖施工后應力未超過C30混凝土的抗拉強度，暗涵沿軸線方向的應力處于結(jié)構(gòu)可以承受的安全范圍內(nèi)。

（3）運行期地鐵列車振動的影響范圍主要位于地鐵隧道與暗涵交叉處附近，列車振動荷載較小，引起的地面沉降和暗涵襯砌應力的附加值均較小。

（4）通過隧道與暗涵區(qū)間灌漿的力學參數(shù)（彈性模量E）敏感性分析可知，隧道與暗涵區(qū)間灌漿的彈性模量數(shù)值大小對暗涵受力及變形影響很小。

（5）列車振動引起的附加應力值及附加變形與混凝土強度相比均較小，但考慮到有限元計算是在土體密實均勻的基礎(chǔ)上進行的，實際上地鐵隧道施工過程可能對地鐵隧道與暗涵之間土體造成擾動，土體存在的缺陷、孔洞等不易發(fā)現(xiàn)，因此建議對地鐵隧道與暗涵之間夾層土體進行補注漿加固，以提高土體的密實度和均勻性，與計算假定更加相符。

4 結(jié)語

本文主要針對地鐵隧道近距離下穿既有輸水暗涵進行后評價有限元反演分析計算，結(jié)合相關(guān)的設(shè)計資料、施工資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

1.對于難以直接測定變形及應力的結(jié)構(gòu)，可通過監(jiān)測地面沉降數(shù)據(jù)來間接分析結(jié)構(gòu)所處的變形及應力狀態(tài)，進而判斷結(jié)構(gòu)安全性。通過對暗涵進行極限應力狀態(tài)分析還可以得出地表沉降的極限值。

2.通過參數(shù)反演分析，得到了與實際施工過程更加相符的應力釋放率等參數(shù)，積累了有限元模型計算參數(shù)取值的經(jīng)驗，對今后類似地層條件的工程施工數(shù)值仿真模擬分析具有指導意義。本文所述方法主要適用于后評估，根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反演分析，實際穿越過程的監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)的真實性、精確性、充分性均對推演結(jié)構(gòu)內(nèi)力有較大影響，故在實際工程應用時，應結(jié)合其他方法綜合使用。

3.對于一個新建結(jié)構(gòu)，可以用本文所述方法推演出相對可信的結(jié)果，但對于使用年代較長、外部荷載長期作用、耐久性措施逐步退弱、混凝土徐變產(chǎn)生等情況來說，該方法有一定的局限性，需結(jié)合實際情況進一步研究。

4.文中所述方法對有限元模型計算參數(shù)的選取及今后類似工程的設(shè)計和安全評價工作具有借鑒意義，已經(jīng)在一些實際工程安全評價工作中得到了驗證，期待今后在更多工程中得到應用并不斷完善。