地下交叉工程下穿有軌電車路基的影響分析

賓勝林 趙偉

摘 要：地鐵正線及豎井橫通道交叉工程下穿有軌電車路基屬于重要風(fēng)險(xiǎn)源，其空間位置關(guān)系復(fù)雜，區(qū)間、橫通道施工均會(huì)對(duì)有軌電車路基產(chǎn)生影響，且影響時(shí)機(jī)及程度很難判定。為此，基于數(shù)值分析方法對(duì)交叉工程下穿有軌電車路基施工全過程進(jìn)行模擬，評(píng)價(jià)交叉工程建設(shè)過程中及建成后對(duì)既有有軌電車路基的影響情況。計(jì)算結(jié)果表明，下穿段落橫通道采用四臺(tái)階法、雙排小導(dǎo)管超前加固，區(qū)間采用上下臺(tái)階法、單排小導(dǎo)管超前加固，能有效控制有軌電車路基沉降并保證有軌電車運(yùn)營(yíng)安全；橫通道垂直下穿階段對(duì)有軌電車路基沉降影響最大，占總沉降的46.6%；路基傾斜（不均勻沉降）最大值發(fā)生在區(qū)間3開挖完成、區(qū)間4未開挖階段，需加強(qiáng)此時(shí)段路基監(jiān)控量測(cè)。加強(qiáng)超前支護(hù)、合理選擇施工工法是控制路基沉降的有效手段。

關(guān)鍵詞：隧道工程；地鐵；豎井橫通道；施工過程；數(shù)值模擬；影響分析

中圖分類號(hào)：U452 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-1534（2018）05-0322-07

1 工程背景

近年來，隨著中國(guó)公共交通的大力發(fā)展，地鐵項(xiàng)目工程逐年增多，新建和既有工程結(jié)構(gòu)之間的相互影響隨之而來[1-3]。特別是復(fù)雜交叉工程下穿既有建（構(gòu)）筑物的情況[4-6]，既有工程結(jié)構(gòu)的沉降[7-8]及新建工程結(jié)構(gòu)的變形控制[9-10]尤為重要。目前，針對(duì)地表沉降，常見的分析方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法、模型試驗(yàn)法及數(shù)值分析法[11-12]。楊慶剛等[13]應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件建立分析模型，分析了超淺埋隧道下穿鐵路引起變形敏感度的情況。王小林等[14]通過數(shù)值計(jì)算方法分析新建隧道下穿施工對(duì)既有鐵路的影響。茍德明等[15]分析了暗挖隧道施工對(duì)高速路基沉降的影響。韓煊等[16]研究了Peck公式在中國(guó)隧道施工地面變形預(yù)測(cè)中的適用性。

筆者結(jié)合沈陽地鐵9號(hào)線工程奧體中心站—奧體東站區(qū)間下穿既有2號(hào)線有軌電車工程，基于數(shù)值分析得出的相關(guān)結(jié)論，識(shí)別地鐵施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)，提出保證地鐵施工、既有有軌電車運(yùn)營(yíng)安全的建議。

2 數(shù)值分析模型

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

2.1.1 計(jì)算分析模型

奧體中心站—奧體東站區(qū)間西起奧體中心站，向東下穿既有2號(hào)線奧體中心站后，沿渾南四路東沿，至奧體東站，在奧體東站前設(shè)置單渡線。該區(qū)間左線長(zhǎng)度為1 130.951 m，右線長(zhǎng)度為1 120.266 m，全部采用礦山法施工。區(qū)間覆土厚度7.2～18.3 m。區(qū)間及其1號(hào)豎井橫通道下穿既有2號(hào)線有軌電車，為該區(qū)間重要風(fēng)險(xiǎn)源。

既有有軌電車路基沉降主要受2方面影響：一是橫通道開挖，二是橫通道初襯開洞后臨近區(qū)間隧道正線開挖。本文主要對(duì)橫通道下穿有軌電車位置以及區(qū)間隧道下穿有軌電車位置沉降情況作具體分析，因此模型需要同時(shí)考慮橫通道開挖以及與橫通道連接區(qū)區(qū)間正線隧道的開挖。豎井橫通道長(zhǎng)約28 m，橫通道兩側(cè)區(qū)間隧道分別考慮30 m長(zhǎng)度。考慮邊界效應(yīng)影響，計(jì)算模型沿橫通道方向取50 m，垂直橫通道方向取60 m。隧道上方地表按實(shí)測(cè)地面數(shù)據(jù)建模，隧道下方取橫通道底部以下13 m。本工程地下水位較深，地層因降水引起的有效應(yīng)力較小，土體排水固結(jié)引起的差異沉降較小，因此不考慮地下水對(duì)沉降的影響。

2.1.2 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

計(jì)算軟件采用MIDAS-GTS NX，建立地層結(jié)構(gòu)模型，地層采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，相應(yīng)的圍巖力學(xué)參數(shù)見表1，有限元模型及土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型見圖1。本模型首先采用四臺(tái)階法完成橫通道開挖，然后采用上下臺(tái)階法按順序依次完成4個(gè)區(qū)間隧道開挖，為保證區(qū)間隧道掌子面距離，每條區(qū)間隧道完成后，開始下一條區(qū)間隧道開挖。

地層初始應(yīng)力為自重應(yīng)力。由于計(jì)算模型中橫通道、區(qū)間隧道以及加固圈等相交位置較為復(fù)雜，因此劃分土體為四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。導(dǎo)管超前注漿加固采用增強(qiáng)加固圈范圍內(nèi)土體參數(shù)的方式。在施工步中更改單元屬性，模擬加固圈形成步驟；初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)采用板單元模擬；最終建立的模型共有185 971個(gè)單元。

2.1.3 計(jì)算模型參數(shù)

1）地層參數(shù)

根據(jù)鉆探結(jié)果，按照其沉積年代、成因類型及巖性，此范圍內(nèi)自上而下的地層為粉質(zhì)黏土③121、粗砂③72、礫砂③83、圓礫③93、礫砂④84、圓礫④94，沿線地層分布較均勻。穿越有軌電車的橫通道和區(qū)間隧道主要位于④94圓礫層及④84礫砂層。為保證隧道中的施工安全，隧道拱部采用1.8 m長(zhǎng)Φ32超前小導(dǎo)管超前加固措施，以降低橫通道及區(qū)間隧道開挖對(duì)有軌電車路基的影響。小導(dǎo)管注漿參數(shù)按照施工單位提供的沈陽地區(qū)相似地層的試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2）設(shè)計(jì)參數(shù)

豎井橫通道垂直下穿既有有軌電車路基，拱頂與有軌電車路基凈距14.1 m；區(qū)間隧道拱頂與有軌電車路基凈距16.1 m；區(qū)間隧道左線中線距輕軌路基中線10.6 m，右線中線距輕軌路基中線6.4 m；豎井與輕軌路基凈距10.1 m。 豎井、橫通道、區(qū)間隧道與有軌電車相對(duì)位置如圖2所示。

豎井初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚度300 mm，鋼格柵間距0.5 m；橫通道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚度300 mm，二襯釆用C40鋼筋混凝土，厚度400 mm，橫通道穿越有軌電車段及前后5 m范圍采用雙排小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，其他位置采用單層小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)。區(qū)間隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚度250 mm，格柵為0.5 m，隧道二襯釆用C40鋼筋混凝土，厚度300 mm，區(qū)間隧道采用單層小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)見表2。

2.2 施工工序及模擬

有軌電車路基先期施工完成，按照既有結(jié)構(gòu)考慮。1號(hào)豎井橫通道施工工序（見圖3，圖中序號(hào)為開挖順序編號(hào)，下同）：超前小導(dǎo)管注漿加固；四臺(tái)階法開挖土體，開挖進(jìn)尺為0.5 m，控制各臺(tái)階開挖面距離為6 m，中間增設(shè)水平支撐。區(qū)間隧道施工工序（見圖4）：拆除橫通道影響范圍內(nèi)的水平支撐及橫通道初支；進(jìn)行區(qū)間隧道拱頂超前小導(dǎo)管注漿加固；上下臺(tái)階法開挖土體，開挖進(jìn)尺為0.5 m，開挖面拉開至10 m，完成一條區(qū)間隧道后開始開挖下一條區(qū)間隧道。關(guān)鍵施工步驟模擬如圖5、圖6所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算得到橫通道以及臨近區(qū)間隧道變形及其施工引起的有軌電車路基沉降量的基礎(chǔ)上，通過對(duì)位移的分析，確定施工工法的正確性和結(jié)構(gòu)的安全性。

3.1 橫通道及臨近區(qū)間隧道安全性評(píng)價(jià)

橫通道及區(qū)間結(jié)構(gòu)變形云圖如圖7、圖8所示。

橫通道襯砌拱頂最大沉降量為0.91 mm，仰拱最大隆起為1.58 mm；區(qū)間隧道襯砌拱頂最大沉降量為0.77 mm，仰拱最大隆起為1.30 mm，均滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求，變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。結(jié)果表明，橫通道及區(qū)間隧道設(shè)計(jì)制定的支護(hù)襯砌參數(shù)基本合理，施工采取的工程措施得當(dāng)。

3.2 有軌電車路基安全性評(píng)價(jià)

整體模型及路基位移情況如圖9、圖10所示。

根據(jù)數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，有軌電車路基沉降最大位置為有軌電車與橫通道垂直相交位置，豎井橫通道垂直下穿有軌電車后，有軌電車路基最大沉降量為3.06 mm；區(qū)間隧道1開挖完成后，有軌電車路基最大沉降量為3.91 mm；區(qū)間隧道2開挖完成后，有軌電車路基最大沉降量為4.69 mm；區(qū)間隧道3開挖完成后，有軌電車路基最大沉降量為5.76 mm；區(qū)間隧道4開挖完成后，有軌電車路基最大沉降量為6.56 mm。結(jié)果表明，橫通道垂直下穿階段對(duì)有軌電車路基沉降的影響最大，占總沉降的46.6%，其余區(qū)間隧道開挖對(duì)有軌電車與橫通道垂直相交位置地表沉降影響在1 mm左右。新建交叉工程引起有軌電車?yán)塾?jì)最大沉降量為6.56 mm。本項(xiàng)目輕軌道床為整體道床，滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）對(duì)既有鐵路路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。根據(jù)產(chǎn)權(quán)單位下發(fā)的渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車2號(hào)線聯(lián)系單相關(guān)要求，既有電車軌道沉降值按10 mm控制，計(jì)算結(jié)果滿足要求。結(jié)果表明，下穿段落橫通道采用四臺(tái)階開挖、雙排小導(dǎo)管超前加固，區(qū)間采用上下臺(tái)階法開挖、單排小導(dǎo)管超前加固，既有有軌電車路基受交叉工程施工的影響可控。

3.3 橫通道及臨近區(qū)間施工對(duì)有軌電車的影響過程分析

為了全面分析既有有軌電車路基的沉降情況，提取5個(gè)路基沉降敏感點(diǎn)作為控制點(diǎn)。通過對(duì)計(jì)算模型開挖過程結(jié)果進(jìn)行提取，繪制橫通道下穿有軌電車路基中心位置①及路基邊界位置②，區(qū)間隧道4下穿有軌電車路基中心位置③，區(qū)間隧道2與區(qū)間隧道3中間距離橫通道5 m位置④及15 m位置⑤沉降隨施工步變化的時(shí)程曲線。各控制點(diǎn)位置見圖11。

通過分析可得到如下結(jié)論。

1）各控制點(diǎn)沉降時(shí)程曲線見圖12—圖16?？梢娍刂泣c(diǎn)①與控制點(diǎn)②沉降受橫通道開挖影響較大，橫通道施工引起的沉降百分比（該段施工引起的沉降量占沉降總量比例）分別為45.3%和45.1%；控制點(diǎn)③主要受橫通道開挖及區(qū)間隧道4開挖影響，其沉降百分比分別為29.6%和40.8%；控制點(diǎn)④受橫通道、區(qū)間隧道2及區(qū)間隧道3影響均較大，其沉降百分比分別為35.6%，20.3%和23.7%；控制點(diǎn)⑤受區(qū)間隧道2及區(qū)間隧道3影響較大，其沉降百分比分別為30.6%和38.8%。施工過程中可根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在施工不同階段合理加密地表監(jiān)測(cè)，對(duì)不同階段對(duì)應(yīng)的敏感控制點(diǎn)重點(diǎn)觀察，保證既有有軌電車路基運(yùn)營(yíng)安全。

2）采用控制點(diǎn)①與控制點(diǎn)②的沉降差計(jì)算有軌電車路基表面傾斜，得到施工過程中的軌道傾斜時(shí)程，見圖17?？梢娪熊夒娷嚥痪鶆虺两底畲笾蛋l(fā)生在區(qū)間3開挖完成、區(qū)間4未開挖時(shí)段，最大差異沉降量為0.006%，滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）對(duì)既有鐵路路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)（路基差異沉降控制值宜小于0.04%）。

3）橫通道開挖對(duì)其正上方及5 m范圍內(nèi)影響較大，沉降量達(dá)2 mm，在距離橫通道15 m位置沉降量不到1 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可酌情加密橫通道兩側(cè)15 m范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4）各區(qū)間隧道開挖對(duì)橫通道上方沉降影響不大，均在1 mm以內(nèi)，而對(duì)其自身上方影響較大，沉降量達(dá)1 mm。

4 結(jié) 語

通過數(shù)值分析方法研究交叉工程下穿既有有軌電車路基，能夠在復(fù)雜的空間、施工工序條件下清晰地反映交叉工程下穿過程中各階段的沉降影響程度、影響范圍，準(zhǔn)確地判斷路基表面傾斜的不利時(shí)機(jī)，為合理制定監(jiān)控量測(cè)方案、既有有軌電車運(yùn)營(yíng)安全提供依據(jù)。筆者僅考慮了靜載作用下的影響分析，未考慮電車動(dòng)載耦合影響，有待進(jìn)一步研究。

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