综合管廊暗挖施工对地铁隧道影响的数值分析

郭小伟，吴瑞绚

（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州450000）

1 引言

综合管廊暗挖施工即是一种在距离地表较近的地下进行地下洞室暗挖的施工方法，该种施工技术具有埋深较浅、灵活多变且对地下管线影响较小的优势，经常被应用于地铁管道的改造挖掘施工中。由于该种施工方式具有适应地层岩性差且挖掘周围的土质环境复杂等特点，因此在实际的挖掘过程中应对施工环境进行细致的勘测，并进行严谨施工。由于本文案例是对某已建地铁线路进行改造，故使用综合管廊暗挖施工进行具体施工研究。在研究过程中，依照施工过程的模型演示，对该种施工方式将会对地铁隧道产生的影响进行探讨与阐述。

2 工程概况

随着我国经济建设的飞速发展，我国基础设施建设越加完善，作为基础设施的重要组成部分，综合管廊承担着城市大量的运作压力，对我国城市的正常运行具有重要影响。因此，应对综合管廊进行及时、科学的维护与改造，为我国城市的可持续发展提供更大的作用。本文以K市的某一综合管廊为研究案例，该综合管廊中包含着燃气、电力、电信等多种管道设施，这些管道设施在综合管廊隧道中呈现着交叉、混乱，甚至重复建设的问题[1]。本次试验主要以这一综合管廊与K市4号地铁线路的交叉点施工为具体案例，利用先进的有限元模型模拟软件设备进行具体综合管廊暗挖施工的过程模拟，通过该软件对综合管廊暗挖施工模拟情况进行具体研究，并为实际的K市综合管廊暗挖工程施工提供积极的辅助作用。

3 综合管廊暗挖施工对地铁隧道影响的数值分析

3.1 工程信息

该工程为拟建综合管廊，该综合管廊穿过地铁4号线路。地铁4号线路隧道距离地面13.8m,该数值表示地铁隧道中心线距地表的距离。地铁两个平行隧道之间的距离为13m，地铁隧道拱顶距离地表的距离为10.1m，该地铁隧道在施工过程中采用盾构的施工方法，其盾构管片厚度为600mm，地铁的隧道内径数值为5000mm，该隧道的掘进方向是垂直于隧道的方向。在工程的施工中确定综合管廊的横截面尺寸为13.6m×3.9m，同时该综合管廊的结构净高测量为2.8m，顶板与底板的厚度为300mm，而管廊外侧墙的厚度也为300mm，管廊底板方面经过测量其距离地面距离为8m,高程为10.080m，综合管廊的结构净高为4.1m。在管廊与地铁隧道的穿越范围内区间隧道拱顶高程11.130～11.150m，管廊与隧道的施工材料均为C50的混凝土，其密度为2500kg/m3[2]。

3.2 建立有限元模型模拟

本次的试验以K市某一综合管廊与K市4号地铁线路的交叉点作为具体的施工地点，利用先进的有限元模型模拟软件设备进行具体综合管廊暗挖施工的过程模拟，通过该软件对综合管廊暗挖施工模拟情况进行具体研究。在使用有限元模型模拟软件进行建模的过程中应对以下四点着重注意：第一点即是应选择60m×60m×20m的土体作为具体的建模对象，该种土体的选择将会在一定程度上降低施工边界对施工结果的影响。第二点即是在对地铁隧道与土体的接触方面使用罚函数的具体算法进行模拟，在切向行为的方面选择摩擦系数为0.3，并将法向行为设置为硬接触。第三点即是在对综合管廊暗挖施工进行模拟之前，应采用地应力平衡的导入方式对土体模型进行导入。第四点即是在进行综合管廊暗挖施工的模拟过程中，采用“生死”的单元方法进行具体的管廊挖掘模拟[3]。

3.3 模型土层参数取值

本文依据具体的施工地点进行施工工程的地质勘察，将该土层参数取值导入有限元模型模拟之中，提升该模拟的准确性与真实性。经过勘探检测得出整个施工区域的土层结构主要包括人工粉土填土、细砂、粉质黏土、粉质细砂4个主要土层，其中土层参数取值如表1所示。

表1 土层参数取值

4 数值结果分析

4.1 初始地应力场和隧道结构应力分布分析

经过有限元模型模拟的试验建立，对其模拟过程以及模拟结果进行分析，得出的结果：

一方面，在综合管廊暗挖施工过程中，由于地铁隧道的上覆土体的移除，其初始地的应力场得到释放，导致地铁隧道的中段位置受到不平衡的土体压力作用，导致地铁隧道出现竖向位移的问题。

第二方面，随着综合管廊暗挖施工的推进，导致土体中的应力出现不断释放的现象，进而导致第一方面的竖向位移问题逐渐加重[4]。

4.2 工程实施结论

在对上述初始地应力场和隧道结构应力分布进行详细分析与阐释后得出本文的工程实施结论：在进行综合管廊暗挖施工模拟后，由于综合管廊是在地铁隧道的正上方穿过，导致施工地点处于地铁隧道的正上方，而这一位置的施工件将会导致土拱效应被人为破坏，施工地点的上覆土体自重被全部施加在综合管廊的顶部，导致综合管廊出现压力增大，同时土体压力增加，综合管廊与两条隧道相交地点的正上方土体也将出现极大程度的变形，最终导致综合管廊的顶板位置变形。

5 结论

本文通过对工程概况的简单阐述，进而分别从建立有限元模型模拟、计算模型物理学参数取值两方面对综合管廊暗挖施工对地铁隧道影响的数值分析进行详细的研究与探讨，并分别从初始地应力场和隧道结构应力分布、工程实施过程中对地铁隧道周围土体的影响两方面对数值结果进行详细探讨与分析。