地下交叉工程下穿有轨电车路基的影响分析

宾胜林 赵伟

摘 要：地铁正线及竖井横通道交叉工程下穿有轨电车路基属于重要风险源，其空间位置关系复杂，区间、横通道施工均会对有轨电车路基产生影响，且影响时机及程度很难判定。为此，基于数值分析方法对交叉工程下穿有轨电车路基施工全过程进行模拟，评价交叉工程建设过程中及建成后对既有有轨电车路基的影响情况。计算结果表明，下穿段落横通道采用四台阶法、双排小导管超前加固，区间采用上下台阶法、单排小导管超前加固，能有效控制有轨电车路基沉降并保证有轨电车运营安全；横通道垂直下穿阶段对有轨电车路基沉降影响最大，占总沉降的46.6%；路基倾斜（不均匀沉降）最大值发生在区间3开挖完成、区间4未开挖阶段，需加强此时段路基监控量测。加强超前支护、合理选择施工工法是控制路基沉降的有效手段。

关键词：隧道工程；地铁；竖井横通道；施工过程；数值模拟；影响分析

中图分类号：U452 文献标志码：A

文章编号：1008-1534（2018）05-0322-07

1 工程背景

近年来，随着中国公共交通的大力发展，地铁项目工程逐年增多，新建和既有工程结构之间的相互影响随之而来[1-3]。特别是复杂交叉工程下穿既有建（构）筑物的情况[4-6]，既有工程结构的沉降[7-8]及新建工程结构的变形控制[9-10]尤为重要。目前，针对地表沉降，常见的分析方法有经验公式法、理论解析法、模型试验法及数值分析法[11-12]。杨庆刚等[13]应用ABAQUS有限元分析软件建立分析模型，分析了超浅埋隧道下穿铁路引起变形敏感度的情况。王小林等[14]通过数值计算方法分析新建隧道下穿施工对既有铁路的影响。苟德明等[15]分析了暗挖隧道施工对高速路基沉降的影响。韩煊等[16]研究了Peck公式在中国隧道施工地面变形预测中的适用性。

笔者结合沈阳地铁9号线工程奥体中心站—奥体东站区间下穿既有2号线有轨电车工程，基于数值分析得出的相关结论，识别地铁施工过程中的风险，提出保证地铁施工、既有有轨电车运营安全的建议。

2 数值分析模型

2.1 计算模型及边界条件

2.1.1 计算分析模型

奥体中心站—奥体东站区间西起奥体中心站，向东下穿既有2号线奥体中心站后，沿浑南四路东沿，至奥体东站，在奥体东站前设置单渡线。该区间左线长度为1 130.951 m，右线长度为1 120.266 m，全部采用矿山法施工。区间覆土厚度7.2～18.3 m。区间及其1号竖井横通道下穿既有2号线有轨电车，为该区间重要风险源。

既有有轨电车路基沉降主要受2方面影响：一是横通道开挖，二是横通道初衬开洞后临近区间隧道正线开挖。本文主要对横通道下穿有轨电车位置以及区间隧道下穿有轨电车位置沉降情况作具体分析，因此模型需要同時考虑横通道开挖以及与横通道连接区区间正线隧道的开挖。竖井横通道长约28 m，横通道两侧区间隧道分别考虑30 m长度。考虑边界效应影响，计算模型沿横通道方向取50 m，垂直横通道方向取60 m。隧道上方地表按实测地面数据建模，隧道下方取横通道底部以下13 m。本工程地下水位较深，地层因降水引起的有效应力较小，土体排水固结引起的差异沉降较小，因此不考虑地下水对沉降的影响。

2.1.2 计算结构模型

计算软件采用MIDAS-GTS NX，建立地层结构模型，地层采用Mohr-Coulomb屈服准则，相应的围岩力学参数见表1，有限元模型及土体内部结构模型见图1。本模型首先采用四台阶法完成横通道开挖，然后采用上下台阶法按顺序依次完成4个区间隧道开挖，为保证区间隧道掌子面距离，每条区间隧道完成后，开始下一条区间隧道开挖。

地层初始应力为自重应力。由于计算模型中横通道、区间隧道以及加固圈等相交位置较为复杂，因此划分土体为四面体结构化网格。导管超前注浆加固采用增强加固圈范围内土体参数的方式。在施工步中更改单元属性，模拟加固圈形成步骤；初期支护、临时支护采用板单元模拟；最终建立的模型共有185 971个单元。

2.1.3 计算模型参数

1）地层参数

根据钻探结果，按照其沉积年代、成因类型及岩性，此范围内自上而下的地层为粉质黏土③121、粗砂③72、砾砂③83、圆砾③93、砾砂④84、圆砾④94，沿线地层分布较均匀。穿越有轨电车的横通道和区间隧道主要位于④94圆砾层及④84砾砂层。为保证隧道中的施工安全，隧道拱部采用1.8 m长Φ32超前小导管超前加固措施，以降低横通道及区间隧道开挖对有轨电车路基的影响。小导管注浆参数按照施工单位提供的沈阳地区相似地层的试验数据选取，土层物理力学参数见表1。

2）设计参数

竖井横通道垂直下穿既有有轨电车路基，拱顶与有轨电车路基净距14.1 m；区间隧道拱顶与有轨电车路基净距16.1 m；区间隧道左线中线距轻轨路基中线10.6 m，右线中线距轻轨路基中线6.4 m；竖井与轻轨路基净距10.1 m。 竖井、横通道、区间隧道与有轨电车相对位置如图2所示。

竖井初期支护采用C25喷射混凝土，厚度300 mm，钢格栅间距0.5 m；横通道初期支护采用C25喷射混凝土，厚度300 mm，二衬釆用C40钢筋混凝土，厚度400 mm，横通道穿越有轨电车段及前后5 m范围采用双排小导管进行超前支护，其他位置采用单层小导管进行超前支护。区间隧道初期支护采用C25喷射混凝土，厚度250 mm，格栅为0.5 m，隧道二衬釆用C40钢筋混凝土，厚度300 mm，区间隧道采用单层小导管进行超前支护，具体支护参数见表2。

2.2 施工工序及模拟

有轨电车路基先期施工完成，按照既有结构考虑。1号竖井横通道施工工序（见图3，图中序号为开挖顺序编号，下同）：超前小导管注浆加固；四台阶法开挖土体，开挖进尺为0.5 m，控制各台阶开挖面距离为6 m，中间增设水平支撑。区间隧道施工工序（见图4）：拆除横通道影响范围内的水平支撑及横通道初支；进行区间隧道拱顶超前小导管注浆加固；上下台阶法开挖土体，开挖进尺为0.5 m，开挖面拉开至10 m，完成一条区间隧道后开始开挖下一条区间隧道。关键施工步骤模拟如图5、图6所示。

3 计算结果分析

在计算得到横通道以及临近区间隧道变形及其施工引起的有轨电车路基沉降量的基础上，通过对位移的分析，确定施工工法的正确性和结构的安全性。

3.1 横通道及临近区间隧道安全性评价

横通道及区间结构变形云图如图7、图8所示。

横通道衬砌拱顶最大沉降量为0.91 mm，仰拱最大隆起为1.58 mm；区间隧道衬砌拱顶最大沉降量为0.77 mm，仰拱最大隆起为1.30 mm，均满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013）对隧道支护结构变形要求，变形控制标准如表3所示。结果表明，横通道及区间隧道设计制定的支护衬砌参数基本合理，施工采取的工程措施得当。

3.2 有轨电车路基安全性评价

整体模型及路基位移情况如图9、图10所示。

根据数值分析计算结果，有轨电车路基沉降最大位置为有轨电车与横通道垂直相交位置，竖井横通道垂直下穿有轨电车后，有轨电车路基最大沉降量为3.06 mm；区间隧道1开挖完成后，有轨电车路基最大沉降量为3.91 mm；区间隧道2开挖完成后，有轨电车路基最大沉降量为4.69 mm；区间隧道3开挖完成后，有轨电车路基最大沉降量为5.76 mm；区间隧道4开挖完成后，有轨电车路基最大沉降量为6.56 mm。结果表明，横通道垂直下穿阶段对有轨电车路基沉降的影响最大，占总沉降的46.6%，其余区间隧道开挖对有轨电车与横通道垂直相交位置地表沉降影响在1 mm左右。新建交叉工程引起有轨电车累计最大沉降量为6.56 mm。本项目轻轨道床为整体道床，满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013）对既有铁路路基沉降控制标准，沉降控制標准如表4所示。根据产权单位下发的浑南新区现代有轨电车2号线联系单相关要求，既有电车轨道沉降值按10 mm控制，计算结果满足要求。结果表明，下穿段落横通道采用四台阶开挖、双排小导管超前加固，区间采用上下台阶法开挖、单排小导管超前加固，既有有轨电车路基受交叉工程施工的影响可控。

3.3 横通道及临近区间施工对有轨电车的影响过程分析

为了全面分析既有有轨电车路基的沉降情况，提取5个路基沉降敏感点作为控制点。通过对计算模型开挖过程结果进行提取，绘制横通道下穿有轨电车路基中心位置①及路基边界位置②，区间隧道4下穿有轨电车路基中心位置③，区间隧道2与区间隧道3中间距离横通道5 m位置④及15 m位置⑤沉降随施工步变化的时程曲线。各控制点位置见图11。

通过分析可得到如下结论。

1）各控制点沉降时程曲线见图12—图16。可见控制点①与控制点②沉降受横通道开挖影响较大，横通道施工引起的沉降百分比（该段施工引起的沉降量占沉降总量比例）分别为45.3%和45.1%；控制点③主要受横通道开挖及区间隧道4开挖影响，其沉降百分比分别为29.6%和40.8%；控制点④受横通道、区间隧道2及区间隧道3影响均较大，其沉降百分比分别为35.6%，20.3%和23.7%；控制点⑤受区间隧道2及区间隧道3影响较大，其沉降百分比分别为30.6%和38.8%。施工过程中可根据计算结果，在施工不同阶段合理加密地表监测，对不同阶段对应的敏感控制点重点观察，保证既有有轨电车路基运营安全。

2）采用控制点①与控制点②的沉降差计算有轨电车路基表面倾斜，得到施工过程中的轨道倾斜时程，见图17。可见有轨电车不均匀沉降最大值发生在区间3开挖完成、区间4未开挖时段，最大差异沉降量为0.006%，满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013）对既有铁路路基差异沉降控制标准（路基差异沉降控制值宜小于0.04%）。

3）横通道开挖对其正上方及5 m范围内影响较大，沉降量达2 mm，在距离横通道15 m位置沉降量不到1 mm。根据计算结果，可酌情加密横通道两侧15 m范围内的监测点。

4）各区间隧道开挖对横通道上方沉降影响不大，均在1 mm以内，而对其自身上方影响较大，沉降量达1 mm。

4 结 语

通过数值分析方法研究交叉工程下穿既有有轨电车路基，能够在复杂的空间、施工工序条件下清晰地反映交叉工程下穿过程中各阶段的沉降影响程度、影响范围，准确地判断路基表面倾斜的不利时机，为合理制定监控量测方案、既有有轨电车运营安全提供依据。笔者仅考虑了静载作用下的影响分析，未考虑电车动载耦合影响，有待进一步研究。

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