地铁隧道近距离下穿输水暗涵安全影响研究

翟明杰杨进新付云升朱银邦

（1.北京市水利规划设计研究院 100048；2.中国水利水电科学研究院 北京100048）

随着城市基础设施建设不断发展，穿越、跨越和邻近既有工程的新建工程逐年增多。新建工程邻近既有工程施工，会引起既有工程结构的变形和附加应力，进而影响既有工程的安全运行。目前，国内外关于对于暗挖施工穿越既有工程的研究已经取得了一些成果，陶连金等提出了盾构隧道穿越既有地铁车站结构安全的评估方法［1，2］；何川等研究了盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响［3］；王子甲等研究了双线暗涵近距离下穿既有地铁车站的影响及变形控制［4，5］；童立元、白海卫等研究了新建隧道下穿上部既有地铁隧道的安全影响及变形规律［6，7］；朱蕾等研究了盾构近距离下穿对上覆已建隧道影响的实测数据［8］；仇文革等系统地分析了地下工程近距离施工的力学原理和施工对策［9］；白廷辉等系统地分析了盾构近距离下穿对既有地下构筑物的影响［10］。

目前少有关于新建工程穿越施工对大型水工输水暗涵的安全影响研究，特别是结合实际施工监测数据进行参数反演，进而分析穿越施工对既有输水暗涵安全影响的实例更是少见。与一般既有地下构筑物相比，输水暗涵具有如下特点：①现状检测难：由于输水暗涵长期处于输水状态，很难对现状进行检测评估；②监控量测难：对输水暗涵而言，地表沉降数值容易进行监测，但是暗涵本身沉降及应力数值等不易监测；③发生事故后补救困难：对于输水暗涵，一旦发生问题，必须进行停水检修加固，影响较大。

对于钢筋混凝土结构来说，结构安全就意味着内力和变形均不超过限值，而内力又是和变形密切相关的，且变形特别是地面沉降在实际施工中比较容易进行监测，因此本文期望通过分析地面沉降数据来间接判断结构的安全状态。

本文以北京某新建地铁隧道下穿既有南水北调输水暗涵工程为对象，研究了地铁隧道近距离下穿输水暗涵对既有暗涵结构及运行的安全影响，并采用数值模拟方法，结合施工方案及监测数据，采用反演分析方法对穿越施工进行后评价分析研究，进而判断穿越施工对既有南水北调暗涵工程的安全影响，并验算计算模型假定及参数的合理性，对今后类似穿越工程的安全评价具有借鉴作用。

1 工程概况

1.1 穿越段地铁隧道设计情况

穿越段地铁隧道采用矿山法施工，地铁隧道与输水暗涵竖向净距为1.98m。地铁采用左右线双洞设计，隧道结构尺寸及与输水暗涵相对高程关系如图1所示。区间隧道结构型式为马蹄形断面，高6.5m，宽6.2m，采用复合式衬砌，外侧初期支护为0.25m喷射混凝土，二衬结构为0.3m厚C40，P10钢筋混凝土结构。两区间隧道线间距为14m。

与普通段相比，穿越段采取了如下加固措施：在影响范围前后10m内，格栅加密为0.5m，增加临时仰拱（I18a临时支撑），拱部采用双排φ25mm小导管超前支护，采用快凝快硬浆液，回填注浆紧跟，开挖过程中，减小开挖步距控制在0.5m，增加临时仰拱，使上半断面快速封闭，并及时打设锁脚锚管。初衬完成后，及时加强背后充填注浆。交叉区段地铁区间注浆加固横断面如图2所示。

图1 隧道与暗涵相对位置关系Fig.1 Cross-section of the tunnel in relation to the buried culvert

图2 地铁隧道注浆加固横断面示意Fig.2 Cross-section of grouting reinforcement of subway tunnel

1.2 穿越段输水暗涵设计情况

穿越段输水暗涵采用双管低压输水方案，工程主体采用2孔φ4.0m并行圆涵，暗挖段圆涵为复合式衬砌结构，采用浅埋暗挖法修建，正台阶法开挖。初期支护为格栅钢架加钢筋网喷射混凝土，厚300mm；二衬为模筑钢筋混凝土，厚300mm。穿越段输水暗涵横断面如图3所示。

1.3 穿越段地质情况

地铁区间隧道穿越地层及地铁与暗涵之间土层为卵石层，该卵石层个别粒径＞20cm，一般4cm～6cm，亚圆形，中粗砂填充，卵石含量约70%，渗透系数大，为强透水层，适宜浆液的扩散，可注浆性较好。地铁与暗涵之间卵石层属Ⅵ级围岩，围岩稳定性差，易发生坍落现象。地下水类型为潜水，施工期水位位于区间结构以下。

图3 输水暗涵横断面示意Fig.3 Cross-section of conveyance buried culvert

2 监控量测

2.1 监测点布置

监测布点的范围为在影响范围内（隧道1倍的埋置深度）构筑物上布置测点。沿南水北调涵洞纵向正上方分别布置4个测点，两涵洞中间布置3个测点，共11个测点，具体布点见图4。

图4 沉降测点布置Fig.4 The sistribution of sag monitoring points

2.2 监测结果

如表1及图5所示，暗涵上方地表最大沉降为4.98mm，沉降速率最大为0.02mm/d。

表1 监测数据统计表Tab.1 Statistics of monitoring data

图5 暗涵地面沉降曲线Fig.5 Ground vertical subsidence of buried culvert

2.3 监测结果分析评价

从监测方案可见，地表沉降测点基本覆盖了穿越施工的主要影响区域，地面沉降曲线规律是合理的，可以为计算分析提供参考。

对于穿越既有暗涵结构施工而言，我们关心的是既有暗涵结构的直接变形，因此变形监测点应直接埋设在既有暗涵结构上为宜。但是由于本工程两条输水暗涵分别在西四环内环、外环主路下方，与四环路平行，受现场条件所限，人员设备无法进入四环主路监测，所以施工采用远距离非接触的观测方法对南水北调暗涵进行监测，由此得出的监测结果并不能直接反映暗涵结构的直接变形，只能通过数值模拟反分析的手段来间接分析暗涵结构的变形及应力，进而分析穿越施工对既有暗涵的影响。

3 有限元数值模拟分析

本工程地铁隧道已经完成下穿输水暗涵的施工，且区间二衬已全部施作完毕。考虑到地铁隧道施工及运行可能对暗涵结构及运行安全产生影响，有必要根据实际监测数据分析地铁工程下穿施工对输水暗涵的影响，对穿越施工进行后评价，以保证新建工程与既有工程的安全。

3.1 计算假定及荷载工况

有限元计算是基于土体为均质密实的假定基础上进行的，不考虑地层土体或注浆区存在缺陷、空洞等情况。

地铁隧道下穿输水暗涵影响分析主要分为施工期和运行期两种工况，施工期影响分析主要考虑地铁隧道开挖对暗涵的影响，运行期影响分析主要考虑地铁通车后列车振动荷载对暗涵的影响。

3.2 计算模型

1.模型假定

本文中地铁隧道下穿暗涵施工属于三维交叉问题，计算模型的设定满足以下条件：

（1）模拟穿越区域地层情况；

（2）详细模拟暗涵、地铁隧道等主要建筑物；

（3）模型大小满足计算精度要求；

（4）有限元软件中主要通过应力释放率模拟地铁隧道浅埋暗挖施工应力释放过程，此参数对有限元计算结果有着重要影响，是本次反演分析的主要目标参数。

2.模型建立

本文分析采用三维有限元计算模型，应用非线性有限元分析通用软件ABAQUS，进行地铁隧道工程下穿输水暗涵的影响分析研究。计算建立三维有限元模型，见图6及图7。采用实体单元模拟地铁隧道、输水暗涵及周围土体，模型节点总数157165个，单元总数141712个。

边界条件考虑如下：模型侧面均采用水平法向位移约束，底部采用固定位移约束。

3.材料力学指标

计算时所采用的材料力学指标如表2所示。土体材料本构模型采用Drucker-Prager屈服准则。

图6 三维有限元计算模型Fig.6 3D FEM model

图7 有限元计算模型局部网格剖分Fig.7 Local mesh subdivision of FEM model

表2 材料参数Tab.2 Parameters of materials

3.3 结果分析

影响三维非线性有限元数值模拟计算结果的因素有很多，比如选用的土体本构模型、材料力学参数、施工工序等，对此已有一些研究成果［11］，对于此类参数本文主要结合以往研究成果、地质提供参数、工程实际施工过程等进行模拟取值，鉴于篇幅，不在文中做详细论述。以下主要分析对地表沉降影响明显的土体开挖应力释放率，此参数与施工过程密切相关。

1.地铁隧道施工期对暗涵影响分析

根据施工过程中的监测数据，隧道与暗涵交叉处地面实测沉降最大为4.98mm。暗涵轴线方向地面及涵顶沉降如图8及图9所示。

图8 暗涵轴线方向地面沉降Fig.8 Ground vertical subsidence in axis direction of buried culvert

图9 暗涵轴线方向涵顶沉降Fig.9 Top vertical subsidence in axis direction of buried culvert

根据监测数据对应力释放率进行反演分析计算，目标是隧道与暗涵交叉处地面计算沉降与实测值4.98mm相符。经多次反演计算，本工程应力释放率取70%时，计算结果地表沉降等数值与实测值基本相符，以下计算结果均以此为基础。

暗涵在初始场时最大拉应力值及最大压应力值分别为1.4MPa及3.3MPa，沿轴线方向最大拉应力为0.3MPa，轴线方向应力值不大。地铁下穿施工对西四环暗涵的影响主要是引起暗涵轴线方向的不均匀沉降，进而引起暗涵的轴向附加应力，而暗涵原设计轴线方向为非主要受力方向，采用构造配筋。通过有限元计算结果可知，地铁下穿施工对既有暗涵环向应力影响很小，地铁下穿前后暗涵环向最大拉应力由1.8MPa减小为1.75MPa，减小幅度均未超过5%，基本可忽略其影响，以下着重对暗涵轴线方向应力进行分析。

暗涵在地铁隧道开挖与衬砌施工时最大沉降量为5.02mm，最大拉应力值及最大压应力值分别为1.4MPa及3.6MPa。由于地铁隧道开挖引起暗涵与隧道交叉部位沉降，暗涵沿轴线方向产生了不均匀沉降，暗涵沿轴线方向最大拉应力由0.3MPa增大到1.4MPa，未超过C30混凝土的抗拉强度设计值。暗涵最大拉应力云图如图10所示。

图10 暗涵轴线方向应力云图Fig.10 Stress cloud map in axis direction of buried culvert

2.地铁隧道运行期对暗涵影响分析

（1）地铁列车振动荷载对暗涵影响分析

对模型施加运行期地铁列车振动荷载，应用非线性有限元分析通用软件ABAQUS进行了运行期暗涵影响分析。本分析的应力、位移值为地铁列车振动荷载引起的附加值，见表3。

表3 地铁列车振动荷载引起的附加值Tab.3 The additional value of subway train vibration load

从计算结果可知，地铁列车振动的影响范围主要位于地铁隧道与暗涵交叉处附近，隧道与暗涵之间夹层土体灌浆与否，对暗涵的受力影响很小，但隧道与暗涵区间已灌浆时的最大总位移比隧道与暗涵区间未灌浆时略小，应力比隧道与暗涵区间未灌浆时略大。由于列车振动荷载较小，暗涵总体的位移、应力值均很小，暗涵总位移值在隧道与暗涵之间土体已灌浆时为0.128mm，在隧道与暗涵之间土体未灌浆时为0.131mm；作用在暗涵衬砌混凝土上的最大拉应力值在隧道与暗涵之间土体已灌浆时为25.3kPa，隧道与暗涵之间土体未灌浆时为24.8kPa；最大压应力值在隧道与暗涵区间已灌浆时为23.9kPa，隧道与暗涵区间未灌浆时为23.8kPa，隧道与暗涵之间土体灌浆与否对运行期列车振动荷载对暗涵的影响并不明显。

以上的附加应力值与混凝土强度相比均较小，因此，暗涵受到地铁列车振动的影响不大。

（2）隧道与暗涵区间灌浆的力学参数（弹性模量E）敏感性分析

力学参数敏感性分析主要考虑弹性模量E取值变化，结果如表4所示。

表4 地铁列车振动荷载作用下区间灌浆参数敏感性分析Tab.4 The sensitivity analysis of grouting parameters under subway train vibration load

从表4可见，暗涵的位移、压应力随着弹性模量的增大而减小，但拉应力随着弹性模量的增大而增大。以上的附加应力值与混凝土强度相比均较小，暗涵的受力状态没有大的变化，故隧道与暗涵区间灌浆的弹性模量对暗涵受力及变形影响很小。

3.4 有限元模拟分析结论

针对地铁隧道工程与南水北调输水暗涵交叉的状况，考虑到地铁施工及运行可能对暗涵结构及运行安全产生影响，本文采用有限元方法进行了地铁隧道下穿暗涵的影响分析，经过多工况的计算，得出如下结论：

（1）通过对监测数据对比分析，经过多次反演计算，得到的地铁隧道与暗涵交叉位置的地面沉降位移为5.02mm，与实际地面最大沉降量4.98mm基本相符，此时暗涵的顶面沉降量为4.68mm。

（2）地铁隧道开挖施工对暗涵的影响主要是增大了暗涵沿轴线方向最大拉应力，开挖施工后应力未超过C30混凝土的抗拉强度，暗涵沿轴线方向的应力处于结构可以承受的安全范围内。

（3）运行期地铁列车振动的影响范围主要位于地铁隧道与暗涵交叉处附近，列车振动荷载较小，引起的地面沉降和暗涵衬砌应力的附加值均较小。

（4）通过隧道与暗涵区间灌浆的力学参数（弹性模量E）敏感性分析可知，隧道与暗涵区间灌浆的弹性模量数值大小对暗涵受力及变形影响很小。

（5）列车振动引起的附加应力值及附加变形与混凝土强度相比均较小，但考虑到有限元计算是在土体密实均匀的基础上进行的，实际上地铁隧道施工过程可能对地铁隧道与暗涵之间土体造成扰动，土体存在的缺陷、孔洞等不易发现，因此建议对地铁隧道与暗涵之间夹层土体进行补注浆加固，以提高土体的密实度和均匀性，与计算假定更加相符。

4 结语

本文主要针对地铁隧道近距离下穿既有输水暗涵进行后评价有限元反演分析计算，结合相关的设计资料、施工资料和监测数据，得出如下结论：

1.对于难以直接测定变形及应力的结构，可通过监测地面沉降数据来间接分析结构所处的变形及应力状态，进而判断结构安全性。通过对暗涵进行极限应力状态分析还可以得出地表沉降的极限值。

2.通过参数反演分析，得到了与实际施工过程更加相符的应力释放率等参数，积累了有限元模型计算参数取值的经验，对今后类似地层条件的工程施工数值仿真模拟分析具有指导意义。本文所述方法主要适用于后评估，根据实际监测数据进行反演分析，实际穿越过程的监测结果数据的真实性、精确性、充分性均对推演结构内力有较大影响，故在实际工程应用时，应结合其他方法综合使用。

3.对于一个新建结构，可以用本文所述方法推演出相对可信的结果，但对于使用年代较长、外部荷载长期作用、耐久性措施逐步退弱、混凝土徐变产生等情况来说，该方法有一定的局限性，需结合实际情况进一步研究。

4.文中所述方法对有限元模型计算参数的选取及今后类似工程的设计和安全评价工作具有借鉴意义，已经在一些实际工程安全评价工作中得到了验证，期待今后在更多工程中得到应用并不断完善。