明挖法管線上穿施工對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響分析

王漪璇

【摘 ? ?要】：為了研究地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)新建項(xiàng)目的可靠性及對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度，以天津市新建電力管線工程側(cè)穿鄰近既有地鐵項(xiàng)目為例，通過有限元數(shù)值模擬，計(jì)算管線溝槽開挖及鋪設(shè)回填過程對(duì)地鐵豎向位移的影響，總結(jié)了地鐵變形規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】：明挖；溝槽；管線；地鐵；變形

【中圖分類號(hào)】：TU753【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）02-34-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.008

Analysis of the Deformation Influence of Cut and Cover Method Construction

on the Adjacent Subway Structure

WANG Yixuan

（China Railway Shanghai DesignInstitute Group Corporation Limited，Tianjin 300073，China）

【Abstract】：In order to study the reliability of the new project in the subway protection area and its impact on the existing subway structure， the paper takes the side crossing of the new power pipeline project near the existing subway project in Tianjin as an example，calculates the influence of tube trench excavation and backfilling on vertical displacement of subway by finite element numerical simulation， summarizes subway deformation law.

【Key words】：cut and cover; trench; tube; subway; deformation

城市交通線網(wǎng)密集、設(shè)施復(fù)雜，在有限的城市空間內(nèi)各類市政項(xiàng)目會(huì)交錯(cuò)布設(shè)，尤其管線布設(shè)時(shí)需要大量地下空間且遍布城市各處，往往會(huì)影響到既有地下結(jié)構(gòu)如地鐵車站、區(qū)間隧道等的安全穩(wěn)定。規(guī)范 [1]定義了軌道交通保護(hù)區(qū)范圍；針對(duì)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的管線根據(jù)類型、距離等特征，對(duì)各管線的影響效應(yīng)進(jìn)行分級(jí)劃分。為保證城市軌道交通的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，管線施工前需明晰施工期間對(duì)既有地鐵車站或區(qū)間隧道的影響程度。

現(xiàn)階段對(duì)土體本構(gòu)模型的研究，能夠?qū)嶋H應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算中的模型有Mohr-Coulomb（MC）模型、Drucker-Prager（DP）模型、修正劍橋（MCC）模型等[2]，針對(duì)天津市地質(zhì)條件，結(jié)合環(huán)境相近地區(qū)數(shù)值計(jì)算方法，選取MC本構(gòu)模型[3～5]模擬管線施工階段工況，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析既有車站區(qū)間的變形特點(diǎn)及施工對(duì)其影響程度。

1 工程概況

天津某新建110 kV輸變電工程新出2回110 kV線路至既有220 kV變電站，路徑總長(zhǎng)約1.4 km，途徑某地鐵車站及相鄰區(qū)間。新建電纜以排管形式敷設(shè)，埋深約2～3 m，頂部覆土厚度約1 m，排管底板距離車站頂板最小距離約0.9 m、距區(qū)間隧道頂最小距離約4.86 m。電纜順車站方向上穿車站及區(qū)間。見圖1。

根據(jù)外部作業(yè)與地鐵結(jié)構(gòu)的接近程度及其所在的工程影響分區(qū)，可判定外部作業(yè)影響等級(jí)[1]。見表1。

電纜與車站距離＜0.5倍車站基坑深度，屬“非常接近”；電纜位于車站結(jié)構(gòu)外側(cè)1倍結(jié)構(gòu)底板埋深范圍內(nèi)，屬“強(qiáng)烈影響區(qū)”，綜合兩項(xiàng)指標(biāo)判定電纜排管對(duì)地鐵車站影響等級(jí)為特級(jí)。電纜與區(qū)間隧道距離＜1倍隧道外徑，屬“非常接近”；電纜位于1～2倍隧道底埋深范圍內(nèi)，屬“一般影響區(qū)”，綜合兩項(xiàng)指標(biāo)判定電纜排管對(duì)區(qū)間影響等級(jí)為一級(jí)。

2 場(chǎng)地條件

電纜線路沿線場(chǎng)地地勢(shì)平坦、地層巖性分布相對(duì)均勻。表層填土主要為雜填土和素填土，總厚度約2.30～3.60 m，工程性質(zhì)較差，淺部土層第4-1層粉質(zhì)黏土巖土性質(zhì)較好，可以作為電纜基礎(chǔ)的地基持力層。見表2。

結(jié)合周圍環(huán)境及基坑深度，場(chǎng)地具備放坡開挖條件，按1∶1放坡，以機(jī)械開挖為主，人工開挖進(jìn)行配合。溝槽基底標(biāo)高以上20 cm的土層采用人工開挖、清理、平整，以免擾動(dòng)基底土。電纜排管均采用?200 mm的C-PVC管材，溝槽內(nèi)敷設(shè)電纜并充填細(xì)砂。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用巖土有限元分析軟件，以南北向?yàn)閅軸、東西向?yàn)閄軸、豎直方向?yàn)閆軸建立三維模型計(jì)算分析。為消除模型邊界效應(yīng)，X軸方向取300 m，Y軸方向取650 m，Z軸方向取55 m。模型頂面為自由面，無約束；底面每個(gè)方向均約束；四個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。管片采用35 cm厚鋼筋混凝土，按彈性勻質(zhì)圓環(huán)考慮，用剛度折減系數(shù)η＜1來體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響。用殼單元模擬管片；地層視為理想彈塑性材料，服從 摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則；注漿層按彈性材料考慮，地層和注漿層均采用實(shí)體單元模擬。板、墻構(gòu)件采用板單元模擬；梁、柱采用梁?jiǎn)卧M，暫不考慮地上既有建（構(gòu)）筑物。

有限元數(shù)值模擬基于一定的假設(shè)：

1）認(rèn)為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)；

2）假定電纜排管結(jié)構(gòu)在計(jì)算域內(nèi)沿直線水平延伸；

3）用施工步來模擬整個(gè)施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時(shí)間效應(yīng)。見圖2。

3.2 計(jì)算結(jié)果

模型分析采用“施工階段”模擬管線施工過程，以“鈍化”土體單元的方式表示基坑開挖，以“激活”管線單位的方式表示鋪設(shè)管線。

將電力管線施工階段分為開挖溝槽；鋪設(shè)管線；回填覆土3步。在車站頂板處沿順車站方向每隔15 m提取點(diǎn)位，繪制位移曲線，發(fā)現(xiàn)開挖及鋪設(shè)階段車站呈上移趨勢(shì)，開挖過程中由于溝槽處土體卸荷作用導(dǎo)致車站出現(xiàn)最大位移，約0.96 mm，最大位移出現(xiàn)在兩根管線交匯處，由于挖除土量最多導(dǎo)致上移量最大。鋪設(shè)管線階段車站整體有所下沉，但下沉不明顯，最大下沉量依然出現(xiàn)在兩根管線交匯處，下沉量約為0.5 mm?；靥罡餐?xí)r，結(jié)構(gòu)基本恢復(fù)至原始位置。見圖3和圖4。

沿區(qū)間敷設(shè)方向每隔5 m提取點(diǎn)位，繪制位移曲線，發(fā)現(xiàn)開挖及管線鋪設(shè)階段區(qū)間隧道整體呈現(xiàn)上移趨勢(shì)。與管線平面位置交叉處的區(qū)間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大上移，最大上移量約為2 mm。最小位移出現(xiàn)在區(qū)間轉(zhuǎn)彎（即與管線距離最遠(yuǎn)處），約0.3 mm。覆土回填時(shí)區(qū)間結(jié)構(gòu)回歸原始狀態(tài)。見圖5。

4 施工監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

施工中對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，范圍為地鐵基坑受電纜溝槽基坑實(shí)施影響區(qū)段，單線長(zhǎng)569 m，橫向?yàn)橛绊憛^(qū)段線路中心向兩側(cè)各延伸50 m。在監(jiān)測(cè)里程范圍內(nèi)，按每15 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)72個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；在延伸范圍內(nèi)，每15～20 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中軌道道床兩側(cè)各布一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，隧道區(qū)間兩側(cè)的中腰位置各布一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見圖6和表3。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.2.1 車站結(jié)構(gòu)豎向位移

車站部分典型斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)上方土體卸荷作用，在管線側(cè)穿范圍內(nèi)，車站結(jié)構(gòu)受到土體卸荷作用影響且覆土回填后基本未體現(xiàn)下沉趨勢(shì)。車站豎向位移隨施工進(jìn)度逐漸體現(xiàn)出上移趨勢(shì)，最大位移約為0.3 mm。無管線側(cè)穿部分車站結(jié)構(gòu)，受輕微影響，整體體現(xiàn)上移趨勢(shì)，最大位移約0.1 mm。見圖7。

4.2.2 區(qū)間豎向位移

提取區(qū)間部分典型斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移受土體卸荷作用影響且位移隨管線與區(qū)間結(jié)構(gòu)距離變化而變化。管線施工過程中，區(qū)間結(jié)構(gòu)在鄰近管線范圍整體呈現(xiàn)上移趨勢(shì)，最大位移約為0.25 mm。隨著區(qū)間與管線距離逐漸增加增加，區(qū)間位移變化逐步減弱。S19斷面距離管線位置最遠(yuǎn)，覆土回填后，斷面出現(xiàn)輕微沉降，最大沉降值約為0.5 mm。見圖8。

5 結(jié)論與建議

本次研究對(duì)象管線對(duì)地鐵車站的外部作業(yè)等級(jí)為特級(jí)，對(duì)區(qū)間隧道的影響等級(jí)為一級(jí)，由于與地鐵距離較近，車站上部土體卸荷作用對(duì)車站結(jié)構(gòu)的上?。ɑ虺两担?huì)產(chǎn)生一定影響，但影響不大，基本可控制在1 mm以內(nèi)。車站上部荷載的變化對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響，荷載變化量越大，車站結(jié)構(gòu)位移變化越明顯。

根據(jù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的情況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)MC本構(gòu)模型存在一定的局限性，回填覆土后土體基本回歸原始位置，體現(xiàn)一定的線彈性變化趨勢(shì)，與實(shí)際情況略有不符。卸載彈性模量的取值影響到車站結(jié)構(gòu)位移變化，模擬計(jì)算時(shí)應(yīng)注意此項(xiàng)參數(shù)的選取。

參考文獻(xiàn)：

[1]CJJ/T 202—2013，城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]徐中華，王衛(wèi)東. 敏感環(huán)境下基坑數(shù)值分析中土體本構(gòu)模型的選擇[J]. 巖土力學(xué)，2010， 31（1）： 258-264+326.

[3]常 ? ?曼，陸 ? ?航. 基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律分析[J]. 西部交通科技， 2019，（10）：96-100+169.

[4]姚宏波，李冰河，童 ? 磊，等. 考慮空間效應(yīng)的軟土隧道上方卸荷變形分析[J]. 巖土力學(xué)，2020，41（7）：2453-2460.

[5]劉尊景，周奇輝，樓永良. 基坑施工對(duì)鄰近地鐵的影響及保護(hù)措施[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2018，55（3） ：81-91.