軌道交通區(qū)間隧道對主城排水干管結(jié)構(gòu)影響研究
——以重慶軌道交通18號線工程四川美院—電廠站為例

吳天

（重慶軌道十八號線建設(shè)運營有限公司，重慶 400000）

1 工程概況

1.1 安全評估背景

重慶軌道交通18 號線工程起于富華路站，終于跳磴南站。 線路全長約29.015km，其中地下線約18.76km，共設(shè)19 座車站，地下站12 座，高架站7 座。

其中四川美院—電廠站區(qū)間穿越主城排水干管，項目在實施過程中對干管存在安全風(fēng)險，需要開展安全評估工作。

1.2 主城排水干管工程的概況

1.2.1 主城排水干管工程概況

主城排水干管延長線起點位于李家沱大橋西南（SD-1），終點至楊九路已建成C 線（SD-19），全長1530m，采用復(fù)合式襯砌隧道形式，其斷面凈空尺寸為1.7m×1.8m，于2014年建成并運營，如圖1 所示。

圖1 排水C 干管襯砌斷面圖（單位：mm）

1.2.2 四川美院站—電廠站區(qū)間工程概況

四川美院—電廠站區(qū)間呈南北方向布置，區(qū)間采用礦山法+TBM 法施工，暗挖段總長305.170m，TBM段總長979.281m。穿越排水C 干管區(qū)間結(jié)構(gòu)為TBM段和暗挖段各一處，如圖2 所示。

圖2 四川美院站—電廠站區(qū)間平面布置圖（圖中砼=混凝土）

1.3 相對位置關(guān)系

四川美院站—電廠站區(qū)間在右線DK21+015～+030 段（TBM 法）、DK21+288～+312 段（礦山 法）上跨排水干管。

其中DK21+015～+030 段上跨排水干管，兩者結(jié)構(gòu)豎向距離最小為3.03m，其平剖面關(guān)系、剖面關(guān)系分別如圖3 所示。

圖3 DK21+015～+030 段與排水C 干管剖面關(guān)系圖

1.4 評估內(nèi)容及控制標準

隧道在開挖過程中不可避免會對巖土體造成擾動，從而對既有排水干管產(chǎn)生影響，兩者間存在復(fù)雜的土體-結(jié)構(gòu)相互作用。

參照《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2019）相關(guān)規(guī)定，剛性管道（如燃氣管線，雨污水管等）絕對沉降量達到10～30mm 時應(yīng)報警。考慮到排水C干管的重要性，評估控制標準比上述規(guī)范規(guī)定嚴格，如表1 所示。

表1 排水C 干管位移變形控制標準

評估對象排水C干管控制指標沉降（隆起）控制值≤15mm

2 評估依據(jù)

2.1 文件依據(jù)

其一，《重慶軌道交通十八號線工程主城排水C干管延長線專項保護方案》（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，2020.08）；

其二，《重慶軌道交通十八號線工程巖土地質(zhì)勘察報告（四川美院站至電廠站區(qū)間）》（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，2019.01）；

其三，《重慶軌道交通十八號線工程電廠站施工圖設(shè)計文件》（ 中國鐵路設(shè)計集團有限公司，2019.11）；

其四，《重慶主城排水C 干管延長段》（2014.04）。

2.2 規(guī)范依據(jù)

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）（2015年版），《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012），《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2019），《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013），《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013），《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003—2016）。

3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

3.1 氣象、水文

場地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，日照總時數(shù)大約1000～1200h，冬暖夏熱，無霜期長、雨量充沛、溫潤多陰、雨熱同季，全年降雨量1000～1400mm。

3.2 地形地貌

擬建四川美院—電廠站區(qū)間位于城市次干黃桷坪正街之下，原始地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，場地總體趨勢南北高中部低，地勢較平緩，地形坡角一般0～20，局部陡坎最大可達30，地面高程215～235m。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造隸屬金鏊寺向斜東翼，場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層通過。該工程主要地處構(gòu)造剝蝕丘陵地帶水文地質(zhì)，情況相對簡單，上覆土層主要為四系全新統(tǒng)人工填土層（Q）、殘坡積層（Q）粉質(zhì)黏土、沖積層（Q）卵石土，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）巖層。

3.4 不良地質(zhì)現(xiàn)象

在鉆探勘察過程中，未發(fā)現(xiàn)斷層、滑坡、危巖、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

4 計算模型

4.1 材料本構(gòu)模型

此次計算中，巖土體材料采用M-C 模型。M-C本構(gòu)模型是模擬巖土材料最常用的一種模型，該模型包含剪切和拉伸兩個模型破壞準則。

4.2 巖土體及結(jié)構(gòu)計算力學(xué)參數(shù)

巖土物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

巖土類別容重/（kN/m3）彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa 摩擦角/°雜填土強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖中風(fēng)化砂巖中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖21.0 24.0 25.0 25.5 20 100 3650 2167 0.45 0.40 0.10 0.37 3 3 2420 787 25 25 44 33

4.3 計算方法

地層結(jié)構(gòu)法主要包括地層的合理化模擬、結(jié)構(gòu)模擬、施工過程模擬以及施工過程中結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用模擬。

4.4 計算軟件

此次評估分析選取大型通用有限元軟件MIDAS/GTS 作為計算平臺。分析類型包括：靜力分析、施工階段分析、滲流分析、固結(jié)分析、邊坡穩(wěn)定、動力分析。

5 區(qū)間隧道對排水C 干管變形計算分析

三維有限元模型，分析四電區(qū)間隧道對排水C 干管的位移、變形影響，評價設(shè)計方案的合理性。

5.1 計算模型

5.1.1 建立三維有限元模型，巖土層按實際巖層分布進行建模，模型尺寸及材料參數(shù)均按照施工圖進行設(shè)置和選取。

該模型考慮的計算荷載有：巖土體及結(jié)構(gòu)自重；TBM 自重400t，主機長度10m，按400kN/m 取值（作用在隧道底部4m 范圍考慮），TBM 掘進中推力1200t。

計算模型如圖4 所示：

圖4 計算模型圖

5.1.2 主要計算步驟如下：

初始自重應(yīng)力場—開挖排水C 干管及支護—位移清零—按1.5m 循環(huán)進尺，左線盾構(gòu)隧道掘進及支護—按1.5m 循環(huán)進尺，右線盾構(gòu)隧道掘進及支護。

5.2 計算結(jié)果分析

5.2.1 針對主要計算步驟，對四電區(qū)間TBM 區(qū)間圍巖變形進行分析。

（1）步驟4：左線盾構(gòu)隧道掘進及支護，如圖5所示。

圖5 左線隧道掘進完成后圍巖位移云圖

（2）步驟5：右線盾構(gòu)隧道掘進及支護，如圖6所示。

圖6 右線隧道掘進完成后圍巖位移云圖

左線隧道掘進及支護完成后，圍巖最大水平位移為1.31mm，最大豎向位移為3.26mm；右線隧道掘進及支護完成后，圍巖最大水平位移為1.45mm，最大豎向位移為4.06mm，最大位移主要集中在隧道周邊。

5.2.2 針對主要計算步驟，對四電區(qū)間TBM 區(qū)間上跨排水C 干管變形進行分析。

（1）步驟4：左線隧道掘進及支護，如圖7 所示。

圖7 左線隧道掘進完成后排水C 干管豎向位移

（2）步驟5：右線構(gòu)隧道掘進及支護，如圖8 所示。

圖8 右線隧道掘進完成后排水C 干管豎向位移

左線隧道掘進及支護完成后，排水C 干管最大豎向位移為1.15mm；右線隧道掘進及支護完成后，排水C 干管最大豎向位移為1.10mm。

5.3 小結(jié)

根據(jù)三維有限元模型，分析區(qū)間隧道開挖對排水C 干管線的位移變形影響，可以得到如下結(jié)論：

區(qū)間隧道開挖完成后，引起排水C 干管最大隆起值為1.10mm，最大沉降值為0.44mm，滿足控制指標不大于15mm。

6 結(jié)語

該項目施工過程中，排水C 干管的各項控制指標滿足規(guī)范要求，設(shè)計方案基本可行。四川美學(xué)院站—電廠站區(qū)間隧道開挖完成后，引起排水C 干管隆起值為1.10mm，均滿足控制指標不大于15mm 要求。