某轨道风道施工对临近轨道主体的影响分析

王贵珍，彭军

（1重庆工程职业技术学院，重庆 400037；2重庆大学，重庆 400045）

0 引言

轨道施工对于附近已有建筑的应力和位移会产生影响，并且其变化会随着施工的进程而变化。本文结合重庆市轨道交通红旗河沟站的工程实例，分析轨道6号线风道开挖对临近轨道3号线主体结构和其出入口通道的影响[1]，控制其不均匀的沉降[2]，当变形达到一定程度时将造成地表建筑物沉降、倾斜甚至开裂[3]，故必须进行安全评估及验证施工方案的可行性。

本文采用三维有限元模型模拟施工。具体思路为：确定包括轨道6号线风道及周边各构建物的三维空间模型，采用ANSYS建模，利用FLAC3D进行施工模拟，在模拟结果进行数据处理后，分析风道施工对轨道3号线主体结构的影响，验算结构安全，并进行安全评估。

1 工程概况

1.1 地质条件

地层分别第四系全新统的人工填土层(Q4ml)和侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)。根据地层的新老关系，其岩性厚度和基本质量等级特征分别为：素填土——一般厚2.2～8.8m；杂填土——厚6.3m；粉质粘土——厚2.50m；砂岩——岩体基本质量等级Ⅲ级；泥质砂岩——岩体基本质量等级为Ⅳ级；基岩强风化带厚度一般约0.4～1.1m左右。

1.2 施工方案

由于施工场地协调困难，将轨道6号线出口延伸到临近轨道3号线一侧。轨道6号线B风道方案施工对与之邻近的构建物有一定的影响。与之相邻的地下构建物有：（1）轨道3号线车站（已建成），水平距离6m左右；（2）轨道6号线车站（在建），与之正交；（3）轨道6号线另一风道（上穿此风道，未建成），竖向距离12.8m；（4）轨道3号线出入口通道（上穿紧邻风道，已建成），水平距离3.5m左右，竖向距离11.5～14.0m。平面图如图1所示。

图1 平面布置图

2 三维分析模型与施工模拟

2.1 模型建立及分析方法

根据车站标准断面尺寸确定分析模型范围。计算模型的边界范围按照以下原则进行了确定：水平方向取洞跨的5倍；垂直方向，上边界为自由地表，下边界为洞高的5倍，模型边界地表面为自由面外，其他均采用法向位移约束。在ANSYS中建立模型并进行网格划分[4-6]。模型如图2所示。

图2 分析模型

结合岩土工程详细勘察报告将模型简化为三个地层，分别为素填土、中风化砂岩和中风化砂质泥岩层。

将ANSYS中建立的模型导入到FLAC3D[7]分析软件中进行施工模拟。

2.2 施工模拟

为分析每步施工过程对既有轨道3号线和人行通道的影响，根据施工过程，将施工段分为14步，也就是完成每步施工段后对轨道3号线和人行通道进行分析。1-9步竖向井的开挖，10-12步为水平风道的开挖，13步是母风道转弯部位的开挖，14步是风道直段的开挖，并且每段开挖后要进行支护。

3 对轨道3号线的影响分析

3.1 位移分析

图3 为轨道6号线风道全部施工完成后的轨道3号线衬砌位移等值线及矢量图。由图可知，整个风道开挖引起轨道3号线的位移不大，最大值仅为0.23mm。其最大位置在疏散井和排风井之间的拱腰位置上，这主要是由于疏散井和排风井尺寸相对新风井较大且距离较近的原因，因此施工中需对该部位加强监控。

图3 轨道3号线衬砌位移等值线及矢量图（单位：m）

图4 为14个施工步的轨道3号线衬砌位移最大值曲线。由图可知，轨道3号线衬砌位移最大值并不是出现在施工完成后，而是出现在整个竖井施工完成后。而进行风道水平段开挖后，衬砌位移会出现一定的减小。而从图中也可以看出，在对风道竖井上部结构进行开挖时，3号线的衬砌也不是很大，而当风道开挖至和3号线同一水平时，衬砌变形会有一个跃阶，因此施工至该步骤时需注意加强监测。

图4 各施工步完成后轨道3号线衬砌的最大位移曲线图

3.2 应力分析

图5～图7分别为轨道3号线风道未施工、第9施工步（竖井开挖完）轨道3号线风道全部施工完所对应的轨道3号线衬砌最大主应力图。由图可知，轨道3号线衬砌最大主应力主要出现在与原有6号线交叉位置拱脚处，且拱脚处会出现一定的拉应力区，但范围很小。

图5 轨道3号线衬砌在风道未施工时最大主应力分布图（单位：Pa）

图6 施工第9步完成后轨道3号线衬砌最大主应力分布图（单位：Pa）

图7 全部施工完成后轨道3号线衬砌最大主应力分布图（单位：Pa）

对比施工前后可知，风道施工后主应力的分布特征并没有特别大的变化，最大主应力值较开挖前增加了不到0.1MPa，表明风道的开挖对轨道3号线应力的影响较小。

综合对轨道3号线衬砌位移和应力的分析表明，由于靠近轨道3号线的竖井尺寸不是很大，整个风道的开挖施工对轨道3号线的影响不是很大。而轨道3号线衬砌的位移主要产生在竖井与轨道3号线同一水平的竖井开挖时，此时应注意控制竖井每步的开挖进尺，并加强对轨道3号线衬砌在疏散井和排风井之间的拱腰位置的监控量测。

4 对轨道3号线2号出入口通道的影响分析

4.1 位移分析

图8 为轨道3号线2号出入口通道衬砌在施工完成后位移等值线及矢量图。由图可知，整个风道施工完成后，通道将会产生整体向下沉的位移，但位移的量值都不是很大，最大值为0.96mm，位于疏散井和排风井水平段之间的上方拱底位置（见图9）。

图8 人行通道衬砌位移等值线及矢量图（单位：m）

图9 最大值位置示意图

图10为14个施工步完成后的人行通道衬砌位移最大值曲线。从图可知，人行通道最大值是在分风道都完成后，最大值为1.04mm。，而增加幅度最大也是在竖井下部施工时，这主要是该段施工时离人行通道距离最近的缘故。而由于三个水平的分风道位于人行通道的正下方，因此水平分风道的开挖也会引起人行通道位移的增加，在分风道完成后位移值达到最大。

图10 人行通道在各施工步完成后最大位移值曲线图

4.2 应力分析

图11 和图12分别为轨道3号线风道施工前后的人行通道最大主应力分布图。由图可知人行通道最大主应力最大值主要集中在与6号线结合的地方，最大值达到了9.3MPa，而与风道竖井以及水平段距离较近的中部位置值在1MPa到4MPa的范围，受力不是很大。对图11和图12的对比可以看出，整个风道的开挖会使人行通道的最大主应力增加0.2MPa左右，表明风道的开挖对人行通道应力的影响并不是很大。

图11 人行通道在整个施工完成后最大主应力分布图（单位：Pa）

图12 人行通道在未进行风道施工时最大主应力分布图（单位：Pa）

综合对人行通道位移和应力的分析表明，整个风道的施工对人行道的影响不是很大，施工中需注意且加强监测的是在竖井施工至离人行通道较近位置的阶段。

5 结语

通过以上分析，得出如下结论。

（1）轨道6号线风道的施工对已有的轨道3号线、轨道3号线2号出入口通道以及临近某汽车城稍有影响，但影响程度较小。说明轨道6号线风道采用三个独立竖井且跳槽施工的设计和施工方案基本可行。

（2）风道对轨道3号线的影响主要是在竖井施工阶段，特别是在竖井施工至与轨道3号线同一水平段时。因此建议在施工至该阶段时，需严格控制竖井开挖进尺，尽可能减小扰动，并对轨道3号线与竖井对应的拱腰位置加强监测。

（3）风道对人行通道的影响主要体现在竖井下部至水平分风道完成的阶段，因此在该阶段施工时需注意减小扰动。人行通道受影响较严重部位为位于疏散井和排风井水平段之间的上方拱底位置，因此建议对该部位应加强监测。

（4）建议采用动态设计、信息法施工；施工过程中缩短掘进回次长度、减少炸药装药量、并及时对完成部分进行衬砌。

[1]兰福东.轨道6号线施工对邻近建筑物的影响及数值分析[J].山西建筑,2008,34(9):308-309.

[2]马天文.邻近建筑物暗挖轨道6号线风道施工方案研究[J].山西建筑,2011,37(14):73-74.

[3]刘干斌，石祥锋，刘晓虎，等.轨道6号线施工对周边建筑的影响分析及加固对策[D].第2届全国工程安全与防护学术会议论文集：下册，2010:380-385.

[4]肖颖，许模.浅谈FLAC3D、ANSYS建模特点及其应用[J].甘肃水利水电技术,2011,47(2):11-12,22.

[5]廖秋林，曾钱帮，刘 彤，等.基于 ANSYS平台复杂地质体 FLAC-3D模型的自动生成 ［J］.岩石力学与工程学报,2005,24(6).

[6]郭洪锍.基于ANSYS软件的有限元网格划分技术浅析［J］.技术平台，2010(4).

[7]宋民崇，余云燕，赵德安.FLAC软件在边坡稳定分析中的应用［J］.黑龙江工程学院学报：自然科学版，2009(4):24-27.