摘要 伴隨著軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，穿越既有運(yùn)營(yíng)隧道的項(xiàng)目日益增多，文章通過數(shù)值分析方法，重點(diǎn)研究了電力隧道上跨既有軌道交通運(yùn)營(yíng)隧道的施工影響。研究結(jié)果表明：沉井開挖引起的區(qū)間隧道最大沉降為0.024 mm，最大隆起為0.033 mm；道床隆起最大值為0.01 mm；隧道管片徑向收斂最大為0.022 mm；沉井降水施工引起的區(qū)間隧道的最大水位位移為1.41 mm，最大豎向位移為?1.73 mm。因此，電力隧道施工全過程對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向變形要求。

關(guān)鍵詞 人工頂管；運(yùn)營(yíng)地鐵；數(shù)值分析；沉井

中圖分類號(hào) TU473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 2096-8949（2023）15-0057-03

0 引言

城市中修建的軌道交通一般沿既有道路走行，運(yùn)營(yíng)隧道不可避免地與現(xiàn)狀或者規(guī)劃市政管線項(xiàng)目存在豎向交疊或者平面緊貼情況。濟(jì)南地區(qū)電力隧道一般采用頂管法施工，該文通過數(shù)值分析的方式，研究了電力隧道及施工豎井施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，確保軌道交通處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

1 工程概況

該電力隧道項(xiàng)目位于濟(jì)南市天橋區(qū)的三孔橋以西，下穿北園高架，處于運(yùn)營(yíng)軌道交通隧道保護(hù)區(qū)范圍。影響軌道交通的電力通道施工包括頂管始發(fā)井、頂管接收井、頂管區(qū)間，其與濟(jì)南軌道交通區(qū)間隧道位置關(guān)系如圖1。

1.1 10 kV 電纜引入土建工程沉井施工及頂管施工與既有濟(jì)南軌道交通的關(guān)系

（1）始發(fā)井位于區(qū)間正上方，豎向距離約7.93 m。

（2）接收井距離區(qū)間左線水平距離最近約9.39 m，豎向距離約7.89 m。

（3）DN1500 頂管垂直于長(zhǎng)區(qū)間，豎向距離區(qū)間最近約為10.2 m。綜上，始發(fā)井、接收井、頂管區(qū)間均位于軌道交通10 m 特別保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)。區(qū)間隧道采用1 200 mm 環(huán)寬、內(nèi)徑Φ5 800 mm、結(jié)構(gòu)厚300 mm、錯(cuò)縫拼裝的單層襯砌結(jié)構(gòu)型式。

1.2 電纜引入土建工程情況

（1）始發(fā)井：尺寸4 m×4 m×6 m，沉井墻厚為500 mm，采用沉井法施工。

（2）接收井：尺寸3 m×4 m×3.5 m，沉井墻厚為400 mm，采用沉井法施工。

（3）始發(fā)井與接收井之間采用人工頂管的方式進(jìn)行施工，人工挖土機(jī)械頂進(jìn)。管節(jié)內(nèi)徑1 500 mm，外徑1 800 mm，長(zhǎng)度2 000 mm/ 節(jié)，混凝土標(biāo)號(hào)C40。

根據(jù)地鐵隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)里程內(nèi)，區(qū)間道床最大沉降量為3.8 mm；區(qū)間收斂點(diǎn)最大擴(kuò)張量為1.3 mm，最大收縮量為2.9 mm；區(qū)間線路中線最大位移量為3.6 mm。區(qū)間道床最大沉降量為3.8 mm；區(qū)間收斂點(diǎn)最大擴(kuò)張量為1.3 mm，最大收縮量為2.9 mm；線路中線最大位移量為3.6 mm。

2 工程地質(zhì)及水文概況

該工點(diǎn)沿線地形總體平緩， 地面高程介于20.90～25.27 m 之間。最大高差約4.37 m，整體起伏相對(duì)較小。區(qū)間下穿東工商河處地面高程較低，線路穿越的地貌單元為山前沖積平原。

場(chǎng)地范圍內(nèi)以第四系地層以粉質(zhì)黏土、黏土、細(xì)砂、卵石、含碎石粉質(zhì)黏土為主，局部揭露膠結(jié)礫巖、卵石。

場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為潛水和巖層裂隙水。1-1 層、1-2 層人工填土下部、10-1 層粉質(zhì)黏土為主要含水層，7-1、16-1 層粉質(zhì)黏土富水性和滲透性相對(duì)較小?？辈炱陂g，地下潛水穩(wěn)定水位埋深1.5～3.8 m，高程介于18.80～22.94 m 之間?；鶐r裂隙承壓水類型主要為19-1 層全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖和19-2 層強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖，相對(duì)隔水頂板為16-1 層粉質(zhì)黏土和16-2 層黏土。

由于16-1 層粉質(zhì)黏土、16-2 層黏土中夾有16-4 層卵石層，具有一定的透水性，上部第四系孔隙潛水與下部基巖裂隙承壓水具有一定的水力聯(lián)系，存在越流補(bǔ)給。電纜引入土建工程項(xiàng)目周邊的濟(jì)南軌道交通長(zhǎng)途汽車站站～ 生產(chǎn)路站區(qū)間，主要穿越層為19-1 全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖和19-2 強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖。始發(fā)井沉井施工中，主要穿越地層為1-2 素填土、7-1 粉質(zhì)黏土、7 黏土；接收井沉井施工中，主要穿越地層1-2 素填土、7-1 粉質(zhì)黏土、7 黏土，頂管法主要穿越土層為7-1 粉質(zhì)黏土和7 黏土。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 總體分析控制

該次數(shù)值模擬采用Midas GTS NX 三維數(shù)值分析軟件，土體采用實(shí)體單元建模，其物理力學(xué)參數(shù)選取如表1，模型簡(jiǎn)圖見圖2，本構(gòu)為修正庫(kù)倫— 摩爾屈服準(zhǔn)則。地下水位及其相應(yīng)參數(shù)采用地質(zhì)勘察報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，模擬真實(shí)施工情況。沉井、管節(jié)、封底結(jié)構(gòu)采用板單元建模。由于采用人工掘進(jìn)的開挖方式，該次數(shù)值分析不考慮頂管法正面推力[1]。地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用300 mm 厚板單元、道床采用實(shí)體單元模擬[2]。道路車輛超載取20 kPa，嚴(yán)格按道路實(shí)際尺寸施加[3]。

3.2 三維建模分析內(nèi)容

（1）始發(fā)井、接收井沉井開挖、回筑建設(shè)過程中，沉井結(jié)構(gòu)受力變形及地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)受力變形分析[3]。

（2）頂管掘進(jìn)過程中，管節(jié)結(jié)構(gòu)受力變形及地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)受力變形分析[4]。

（3）根據(jù)上述分析，提供參考性建議減少沉井及頂管施工對(duì)區(qū)間隧道影響。

3.3 三維分析工況

Midas GTS NX 軟件能自動(dòng)在上一工況的不平衡力及速率收斂的基礎(chǔ)上，繼續(xù)模擬下一工況。

施工階段1：初始地基應(yīng)力平衡。

施工階段2：地鐵隧道施工。

施工階段3：始發(fā)井、接收井放坡開挖。

施工階段4：始發(fā)井、接收井第一步開挖。

施工階段5：始發(fā)井、接收井第二步開挖。

施工階段6：始發(fā)井、接收井第三步開挖。

施工階段7：始發(fā)井、接收井封底。

施工階段8：頂管第一步掘進(jìn)。

施工階段9：頂管第二步掘進(jìn)。

施工階段10：頂管第三步掘進(jìn)。

施工階段11：頂管第四步掘進(jìn)。

施工階段12：頂管第五步掘進(jìn)。

施工階段13：頂管第六步掘進(jìn)。

施工階段14：頂管第七步掘進(jìn)。

施工階段15：頂管第八步掘進(jìn)。

3.4 三維分析

由軟件計(jì)算結(jié)果可知，沉井開挖引起的區(qū)間隧道最大沉降為0.024 mm，最大隆起為0.033 mm，位于始發(fā)井正下方；沉井開挖引起的區(qū)間隧道最大水平位移為0.03 mm，道床隆起最大值為0.01 mm。頂管施工過程中，地表最大沉降0.37 mm。管節(jié)頂最大沉降0.28 mm，管節(jié)底最大隆起0.09 mm。平行地鐵隧道方向，模型最大水平位移0.21 mm。頂管掘進(jìn)引起的區(qū)間隧道最大豎向隆起為0.04 mm，頂管掘進(jìn)引起的區(qū)間隧道道床最大豎向隆起位移為0.01 mm。

綜合各工況分析，沉井開挖與頂管掘進(jìn)引起的區(qū)間隧道管片徑向收斂最大為0.022 mm，能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)隧道徑向收斂不大于5 mm 的要求，影響很小。

3.5 沉井施工二維流固耦合分析

因始發(fā)井基坑較深為6 m、接收井基坑深度3.5 m，基坑降水深度或引起隧道產(chǎn)生較大的變形，故取始發(fā)井、接收井沉井施工做二維流固耦合分析。整個(gè)過程共有8個(gè)施工分析步驟：

施工階段1：初始滲流場(chǎng)分析。

施工階段2：初始地基應(yīng)力平衡。

施工階段3：地鐵隧道施工。

施工階段4：始發(fā)井、接收井放坡開挖。

施工階段5：第一階段滲流（按照最不利情況，一次降到開挖面下0.5 m）。

施工階段6：始發(fā)井、接收井第一步開挖。

施工階段7：始發(fā)井、接收井第二步開挖。

施工階段8：始發(fā)井、接收井第三步開挖。

其中施工階段5，坑內(nèi)水位下降，與沉井外側(cè)產(chǎn)生水頭差，進(jìn)而形成滲流。

經(jīng)計(jì)算，沉井施工降水，使右線隧道底部總水頭降低0.6 m，左線隧道總水頭降低0.7 m，影響較??；降水施工引起的區(qū)間隧道的最大水位位移為1.41 mm，最大豎向位移為?1.73 mm，小于安全要求的5 mm，故滿足安全。

3.6 分析小結(jié)

（1）沉井施工引起的地面最大沉降0.39 mm，最大水平位移0.3 mm，坑底隆起1.36 mm，區(qū)間隧道最大隆起0.033 mm，最大水平位移0.03 mm。模擬結(jié)果表明：沉井施工全過程對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向位移量不大于5 mm 的要求。

（2）沉井施工過程中，管片最大彎矩63 kN·m，軸力1 229 kN，剪力61 kN，管片配筋滿足原設(shè)計(jì)要求。模擬結(jié)果表明：沉井施工全過程對(duì)地鐵區(qū)間隧道管片的受力影響有限，滿足管片原設(shè)計(jì)要求。

（3）頂管施工引起的地面最大沉降0.37 mm，坑底隆起0.09 mm，區(qū)間隧道最大隆起0.04 mm，最大水平位移0.04 mm。模擬結(jié)果表明：頂管施工全過程對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向位移量不大于5 mm 的要求。

（4）頂管施工過程中，管片最大彎矩63 kN·m，軸力1 229 N，剪力61 kN。模擬結(jié)果表明：沉井施工全過程對(duì)地鐵區(qū)間隧道管片的受力影響有限，滿足管片原設(shè)計(jì)要求。

（5）電纜引入土建工程對(duì)區(qū)間隧道的影響主要體現(xiàn)在沉井施工，頂管施工對(duì)區(qū)間隧道的影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

（6）電纜引入土建工程施工全過程中引起區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移0.04 mm，最大水平位移0.04 mm；道床最大豎向位移0.01 mm，最大水平位移0.002 mm。模擬結(jié)果表明：電纜引入施工全過程對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向位移量不大于5 mm的要求[5]。

（7）電纜引入土建工程施工全過程中引起的區(qū)間隧道管片徑向收斂最大為0.022 mm，能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)隧道徑向收斂不大于5 mm 的要求。

（8）電纜引入土建工程施工全過程中區(qū)間隧道管片內(nèi)力變化可忽略不計(jì)，沉井、頂管施工對(duì)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小。模擬結(jié)果表明：電纜引入施工全過程對(duì)地鐵區(qū)間隧道管片的受力影響有限，滿足管片原設(shè)計(jì)要求。

（9）二維流固耦合分析結(jié)果顯示，基坑開挖及降水引起區(qū)間隧道的最大水平位移為1.043 6 mm，最大豎向位移為?1.862 7 mm，可見降水施工影響比基坑開挖影響更為顯著。由于基坑較深且距離軌道交通結(jié)構(gòu)較近，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制降水，減少滲流帶來的沉降影響。

4 結(jié)語

該文通過數(shù)值模擬分析了電力沉井及人工頂管施工對(duì)既有隧道影響。分析結(jié)果表明，施工全過程對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向變形要求。

另外，建議在項(xiàng)目工程施工時(shí)，建立嚴(yán)密的既有區(qū)間隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力、變形、沉降的監(jiān)控量測(cè)體系，對(duì)施工過程進(jìn)行全面的監(jiān)控量測(cè)，隨時(shí)反饋信息，指導(dǎo)施工生產(chǎn)，在發(fā)生既有地鐵結(jié)構(gòu)沉降速率超過規(guī)定值時(shí)，應(yīng)立即啟動(dòng)搶險(xiǎn)預(yù)案。

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