苑艷杰

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

0 引言

在地鐵隧道和車站施工過程中，在已建地鐵線路的周邊新建地鐵車站和隧道作為危險(xiǎn)性比較大、要求比較嚴(yán)格的工程，不僅僅要考慮新基坑開挖的穩(wěn)定性，還要將新建結(jié)構(gòu)對既有建筑、構(gòu)筑物的影響控制在允許范圍內(nèi)。以地鐵5號線五一路站施工對3號線省博物館站及隧道影響為例，采用三維有限元分析方法，通過數(shù)值模擬施工過程，為施工前確定施工方案和監(jiān)測方案提供理論依據(jù)。同時在施工過程中，將實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，及時調(diào)整參數(shù)，從而改進(jìn)施工方案，保證施工的安全性。

1 工程概況

1.1 昆明地鐵3號線與5號線相對位置關(guān)系

已建的昆明地鐵3號線省博物館站為3、5號線的換乘站，為地下三層島式車站。在建的五一路站為昆明市軌道交通5號線工程的第8個車站，本站與省博物館站（五一路站），通道換乘，采用地下4層島式站臺車站。5號線五一路站鄰近3號線省博物館站（五一路站）的基坑分三期開挖，一期基坑為車站主體結(jié)構(gòu)基坑，二期基坑為垂直疏散樓梯間基坑，三期基坑為3、5號線換乘通道基坑開挖。5號線五一路站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)與3號線省博物館站（五一路站）主體結(jié)構(gòu)最小水平凈距1.48 m，與3號線區(qū)間隧道的水平凈距約21.35 m，垂直疏散樓梯間圍護(hù)結(jié)構(gòu)與3號線省博物館（五一路站）1號風(fēng)亭最小水平凈距2.67 m。具體情況如圖1所示。

圖1 5號線車站與3號線車站及區(qū)間平面位置

5號線五一路站—彌勒寺站區(qū)間隧道63°斜交下穿已運(yùn)營地鐵3號線西昌路站（潘家灣站）—省博物館站（五一路站）區(qū)間隧道，5號線左右線線間距15.7 m，3號線左右線線間距約為16.0m，見圖2。5號線與3號線左線交叉斷面如圖3所示，5號線左線與3號線豎向凈距為2.428m，5號線右線與3號線豎向凈距為2.381 m。5號線與3號線右線交叉斷面如圖4所示，5號線左右線線間距15.7 m，5號線左線與3號線豎向凈距為2.606 m，5號線右線與3號線豎向凈距為2.559 m。

圖2 5號線與3號線平面位置關(guān)系

圖3 5號線與3號線左線交叉斷面（單位：m）

圖4 5號線與3號線右線交叉斷面（單位：m）

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.2.1 工程地質(zhì)概況

本工程場地位于昆明盆地為崗地地貌。地形相對較平坦，總體上西北和東南較高，東北、中部盆地及西南較低。地面標(biāo)高為1 888.75～1 891.98 m，相對高差3.23 m。根據(jù)鉆孔揭露，本次勘察深度范圍內(nèi)自上而下可分為第四系人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)沖湖積層（Q4al+l）、第四系上更新統(tǒng)沖湖積層（Q3al+l）及寒武系中統(tǒng)陡坡寺組（∈2d）4個地層單元。地基土構(gòu)成層巖土物理力學(xué)指標(biāo)具體如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.2.2 水文地質(zhì)概況

場地地處沖湖積相沉積區(qū)，工程影響深度范圍內(nèi)場地地下水主要有上層滯水、孔隙水、承壓水及基巖裂隙水4類。上層滯水賦存于素填土中，含水量小，水位較淺。孔隙潛水主要賦存于第4系沖湖積層的粉土、粉砂層中，透水性弱～中等、富水性中等。承壓水主要賦存于10-2圓礫等含水層中，圓礫層滲透性好?；鶐r裂隙水主要賦存于車站下伏基巖風(fēng)化裂隙中，連通性差，透水性差，受當(dāng)?shù)貧庀笠蛩氐挠绊懖伙@著，水位升降決定于水壓傳遞，總體富水性不均。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

為了研究昆明地鐵5號線施工對地鐵3號線影響，對昆明地鐵5號線五一路站與地鐵3號線省博物館站及盾構(gòu)隧道臨近，采用有限元軟件MIDASGTS NX，建立三維數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行分析。

圍巖與地下建構(gòu)筑物整體有限元模型如圖5—圖6所示，橫向?qū)挾热?30 m，縱向?qū)挾热?00 m，豎向高度取60 m，5號線隧道長度為85.6 m，3號線隧道長度為77.7 m，盾構(gòu)隧道管片襯砌采用2D板單元，土體采用3D實(shí)體單元模擬，地連墻和旋噴樁采用3D實(shí)體單元模擬，車站頂板、中板、底板、側(cè)墻及蓋板均采用2D板單元模擬，車站柱及基坑開挖過程中混凝土支撐、鋼支撐、鋼管樁、格構(gòu)柱、抗拔樁均采用1D梁單元模擬，模型四周均采用固定邊界條件，頂面采用自由變形邊界，考慮自重荷載。隧道和兩個車站換乘通道處模型網(wǎng)格精細(xì)劃分，從中心區(qū)域向邊界逐漸加粗，模型網(wǎng)格數(shù)量為111 716。

圖5 圍巖與地下建構(gòu)筑物整體有限元模型

圖6 地下建構(gòu)筑空間相對位置關(guān)系

2.2 計(jì)算參數(shù)

本次數(shù)值計(jì)算中共涉及2種屈服準(zhǔn)則。巖土體等材料的破壞服從摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則，混凝土材料的破壞服從彈性本構(gòu)（線型）關(guān)系。計(jì)算參數(shù)按照地勘報(bào)告給出的數(shù)據(jù)選取，模型中的土層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖及建構(gòu)筑物材料基本物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬過程

基坑施工采用有限元程序提供的“激活”與“鈍化”功能進(jìn)行處理，通過分次鈍化單元和分次激活單元來模擬基坑開挖及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施作。模擬過程分為以下9個步驟：①根據(jù)地層參數(shù)給相應(yīng)的幾何模型賦值，并計(jì)算模型在自重作用下的初始應(yīng)力場；②模擬既有3號線博物館站及盾構(gòu)隧道施工區(qū)間隧道開挖支護(hù)過程；③在第2步基礎(chǔ)上將整個模型位移場清零，保持應(yīng)力場不變情況下，模擬車站主體隔離保護(hù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；④模擬5號線五一路站主體基坑開挖；⑤模擬五一路車站主體施工；⑥模擬垂直疏散樓梯圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、土體開挖，然后再施工垂直疏散樓梯結(jié)構(gòu)；⑦模擬換乘通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、開挖，然后再施工換乘通道主體結(jié)構(gòu)；⑧模擬新建隧道開挖、支護(hù)；⑨車站主體基坑、換乘通道基坑回填。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 施工對既有結(jié)構(gòu)的影響分析

將整個數(shù)值模擬分析分為以下工況：工況1：車站主體隔離保護(hù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；工況2：車站主體基坑開挖；工況3：車站主體結(jié)構(gòu)施工；工況4：樓梯間基坑開挖；工況5：樓梯間結(jié)構(gòu)施工；工況6：換乘通道基坑開挖；工況7：換乘通道結(jié)構(gòu)施工；工況8：5號線左線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)3號線交叉斷面處；工況9：5號線左線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)五一路站端頭；工況10：5號線右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)3號線交叉斷面處；工況11：5號線右線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)五一路站端頭；工況12：對車站主體基坑、換乘通道基坑進(jìn)行回填。

各個工況下既有車站主體、1號風(fēng)亭、區(qū)間隧道的位移如表3—表8所示。規(guī)范允許車站主體控制值為±10 mm，附屬風(fēng)亭控制值為±15 mm，區(qū)間隧道控制值為±10 mm，在各個工況下，位移值均在允許控制范圍內(nèi)。

表8 各施工階段對既有結(jié)構(gòu)的位移影響（工況11、12）

圖7 左線網(wǎng)格模型圖

圖8 右線網(wǎng)格模型

表3 各施工階段對既有結(jié)構(gòu)的位移影響（工況1、2）

表4 各施工階段對既有結(jié)構(gòu)的位移影響（工況3、4）

表5 各施工階段對既有結(jié)構(gòu)的位移影響（工況5、6）

表6 各施工階段對既有結(jié)構(gòu)的位移影響（工況7、8）

表7 各施工階段對既有結(jié)構(gòu)的位移影響（工況9、10）

3.2 施工對周邊土體的影響分析

如圖9所示，在5號線車站主體基坑開挖至基底時，周圍地層X方向最大位移在位置2為19 mm；Y方向最大位移在位置2為-31 mm；Z方向基坑底部位置6處隆起位移為16 mm，頂面位置7、8及周圍土體最大沉降位移為2 mm。

圖9 基坑及周圍地層各點(diǎn)位置示意

在車站主體結(jié)構(gòu)施工完成到換乘通道結(jié)構(gòu)施工完成整個過程中，周邊土體的位移均不變，周圍土層X方向最大位移在位置2處為33 mm，Y方向最大位移在位置2處為-40 mm，Z方向基坑底部位置6處隆起位移為9 mm，頂面位置7、8及土體最大沉降位移為14 mm。

在整個施工過程中，水平方向位移均小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定值50 mm，豎向位移均小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定值35 mm。

4 結(jié)論

1）根據(jù)有限元分析結(jié)果，從5號線五一路站基坑開挖到基坑覆土回填完成整個過程中，既有3號線省博物館站主體、附屬風(fēng)亭及隧道區(qū)間的水平位移和豎向位移、周邊土體的位移和沉降量均處于安全控制值范圍內(nèi)。

2）由于地下巖土工程的復(fù)雜性和多變性，在施工過程中應(yīng)對既有車站主體、附屬風(fēng)亭、區(qū)間隧道的位移進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測。加密監(jiān)測測點(diǎn)的布置和監(jiān)測頻率，并建立監(jiān)測聯(lián)動機(jī)制及時反饋監(jiān)測信息，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果并結(jié)合數(shù)值模擬分析，及時調(diào)整施工工藝和參數(shù)。

3）相鄰地鐵車站和隧道的修建對既有車站的影響較大，為了保障既有隧道和車站的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)行，在施工前和施工過程中運(yùn)用有限元分析軟件模擬施工過程是非常有必要的。