新建电力隧道对既有地铁车站结构的沉降影响分析

耿俊岩

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

地下空间的建设能够很好地解决日益增长的交通需求。在地下空间不断开发利用的过程中，上下交叠形式的交通线路开始不断地出现，成为地下交通一个新的发展方向。已有许多学者进行了相关分析，白廷辉等[1]对上海地铁一、二号线隧道交叉施工的安全性进行了初步分析，并提出了近距离隧道施工的保护措施；邵华等[2]基于实测数据，分析了盾构施工对已运营隧道的影响；陈亮等[3]对新建隧道近距离上穿原有隧道造成的沉降影响进行分析，得出了既有隧道的沉降规律。近些年，随着有限元分析软件的发展，数值模拟方法开始在隧道施工中得到应用。侯炳晖等[4-5]将数值模拟应用于浅埋隧道及地铁区间隧道施工中。郭红军[6]利用有限元软件对隧道结构受力进行了分析。但是，现有数值模拟案例中，少有对超小净距隧道工程的研究。以北京某拟建电力隧道穿越地铁5号线崇文门车站为工程背景，运用数值模拟方法研究新建地下工程对既有地铁车站结构的影响。

1 工程概况

新建电力隧道L2线从崇文门地铁车站上方通过，最小覆土厚度为4.232 m，最大为9.772 m，最大埋深为13.072 m。最小纵坡为0.5%，最大为20.0%，距崇文门地铁站主体结构1.0 m。崇文门站结构为复合式衬砌，组件的重要性系数为1.1，结构安全等级为一级。L2线均为浅埋隧道，标准截面为2.0 m×2.3 m(宽×高)。地层从顶部到底部依次为杂填土、素填土、粉质黏土、黏土、粉土、粉砂，均位于地下潜水位以上。崇文门车站及新建隧道截面如图1所示。

图1 崇文门车站及新建隧道截面示意(单位：mm)

2 数值模拟

2.1 相关参数选取

根据新建电力隧道范围内的地质勘察数据，勘探深度范围内的地层为第四系全新统人工堆积杂填土、素填土，第四系全新统冲洪积粉质黏土、黏土、粉土、粉砂。模型所取地层参数见表1。

荷载可分为恒定荷载和活荷载。恒定荷载系数为1.35，包括结构自重和围岩压力；活荷载系数为1.4，包括道路车辆荷载(20 kN/m2)，地铁车辆荷载(33 kN/m2)，人群荷载(4 kN/m2)。所有的荷载均按照《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)[7]和工程资料取值。

表1 模型计算参数

按照荷载组合Ⅰ(路面荷载+车辆荷载+人群荷载)加载，电力隧道开挖引起地铁车站结构最大隆起值为1.29 mm；按照荷载组合Ⅱ(路面车辆荷载+人群荷载)加载，地铁结构的最大隆起值为2.06 mm。由此可见，荷载组合Ⅱ产生的沉降较大，故选用荷载组合Ⅱ来分析电力隧道开挖对地铁车站结构安全性的影响。

2.2 三维实体模型建立

采用ANSYS软件建模，模型尺寸为：180 m×60 m×30 m(长×高×宽)。边界条件为：将地层表面设置为自由面，下边界为垂直约束，其他方向为水平约束。假设岩体为理想弹性介质，采用实体单元(Solid45)模拟地铁结构及周围土体，并对其进行离散化。采用不考虑材料非线性的弹性(Elastic)模型模拟围岩。采用杆单元来模拟锚杆，通过连接单元将其和围岩连接在一起。本次模拟采用映射网格划分，网格划分过程包括：定义单元属性、设定网格尺寸控制、执行网格划分[8-9]。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

2.3 空间模型计算工况和计算步

由电力隧道设计起点西侧开挖，单侧开挖总长度为60.5 m。考虑施工安全及工期的要求，采用全断面暗挖，每次进尺约3～6 m，总共15步。土体开挖采用“单位生死法”模拟，首先对1号土体进行开挖，然后“杀死”1号土体范围内的单元，接下来开挖2号土体，然后“杀死”2号土体范围内的单元，激活1号区域内隧道初期支撑单元，并改变材料参数，模拟其初期支护。以此类推，直到第15步结束(计算中没有考虑二次衬砌的影响[10-11])。

3 沉降规律分析

3.1 地表沉降规律研究

选取30 m×30 m范围作为考察区域，分析该区域地表沉降。根据模拟结果，地表最大沉降值的变化如图3所示。由图3可知，地铁结构最大沉降为-5.845 mm，发生在电力隧道第13开挖步，距离设计起点52～55.5 m范围内。最大沉降差为2.447 mm，发生在电力隧道第5开挖步，距设计起点24.8～29.5 m范围内。

图3 地表沉降最大值随开挖的变化

3.2 地铁车站结构变形规律研究

(1)最大沉降值随开挖步的变化

新建电力隧道开挖时地铁结构的最大沉降值变化如图4所示(隆起用正值表示，沉降用负值表示)。地铁结构最大隆起值为2.063 mm，发生在电力隧道第14开挖步前，距离设计起点55.5～60.2 m范围内；最大沉降差为1.473 mm，发生在电力隧道第5开挖步，即距离设计起点24.8～29.5 m范围内。

图4 地铁结构随开挖产生最大沉降值

(2)纵向沉降变化

为考察地铁结构沿其纵向的沉降变化，设置了9个考察点(5倍电力隧道宽度范围内)，考察点沉降情况如图5所示，由图5可知，电力隧道开挖时，地铁结构的纵向沉降相对均匀，对地铁结构的纵向影响不显著。

图5 地铁结构纵向沉降分析

(3)横向沉降变化

为研究地铁结构沿其横向的沉降变化，选择地铁结构最危险截面上的14个点作为研究点[12-15](如图6所示)。其中，由1～10考察点分析其竖向沉降，由11～14考察点分析其水平位移。选择典型的开挖步分析(第4、7、14、15步)，如图7所示。

图6 地铁结构横断面考察点示意

图7 地铁结构的横断面位移曲线

由图6、图7可知，地铁结构横截面考察点处位移沉降变化显著，但曲线变化趋势一致，左侧横截面沉降值大于右侧横截面(因电力隧道开挖方向为从左向右而引起)。

4 结论

(1)地铁车站结构最大隆起值为2.063 mm，最大沉降差为1.473 mm。根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2001)，沉降量满足安全使用要求。

(2)由地铁结构沿纵向沉降变化分析可知，新修电力隧道开挖时，地铁结构纵向沉降比较均匀，对地铁结构的纵向影响较小。

(3)电力隧道开挖方向为从左向右，使得左侧横截面沉降值大于右侧横截面，但曲线变化趋势一致，地铁结构在横向上安全。

(4)地表最大沉降为-5.845 mm，最大沉降差为2.447 mm，满足地表沉降缝控制标准(<30 mm)。