施工对地铁三号线影响模拟分析

苑艳杰

（中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

0 引言

在地铁隧道和车站施工过程中，在已建地铁线路的周边新建地铁车站和隧道作为危险性比较大、要求比较严格的工程，不仅仅要考虑新基坑开挖的稳定性，还要将新建结构对既有建筑、构筑物的影响控制在允许范围内。以地铁5号线五一路站施工对3号线省博物馆站及隧道影响为例，采用三维有限元分析方法，通过数值模拟施工过程，为施工前确定施工方案和监测方案提供理论依据。同时在施工过程中，将实测数据与模拟数据进行对比，及时调整参数，从而改进施工方案，保证施工的安全性。

1 工程概况

1.1 昆明地铁3号线与5号线相对位置关系

已建的昆明地铁3号线省博物馆站为3、5号线的换乘站，为地下三层岛式车站。在建的五一路站为昆明市轨道交通5号线工程的第8个车站，本站与省博物馆站（五一路站），通道换乘，采用地下4层岛式站台车站。5号线五一路站邻近3号线省博物馆站（五一路站）的基坑分三期开挖，一期基坑为车站主体结构基坑，二期基坑为垂直疏散楼梯间基坑，三期基坑为3、5号线换乘通道基坑开挖。5号线五一路站主体围护结构与3号线省博物馆站（五一路站）主体结构最小水平净距1.48 m，与3号线区间隧道的水平净距约21.35 m，垂直疏散楼梯间围护结构与3号线省博物馆（五一路站）1号风亭最小水平净距2.67 m。具体情况如图1所示。

图1 5号线车站与3号线车站及区间平面位置

5号线五一路站—弥勒寺站区间隧道63°斜交下穿已运营地铁3号线西昌路站（潘家湾站）—省博物馆站（五一路站）区间隧道，5号线左右线线间距15.7 m，3号线左右线线间距约为16.0m，见图2。5号线与3号线左线交叉断面如图3所示，5号线左线与3号线竖向净距为2.428m，5号线右线与3号线竖向净距为2.381 m。5号线与3号线右线交叉断面如图4所示，5号线左右线线间距15.7 m，5号线左线与3号线竖向净距为2.606 m，5号线右线与3号线竖向净距为2.559 m。

图2 5号线与3号线平面位置关系

图3 5号线与3号线左线交叉断面（单位：m）

图4 5号线与3号线右线交叉断面（单位：m）

1.2 工程地质及水文地质概况

1.2.1 工程地质概况

本工程场地位于昆明盆地为岗地地貌。地形相对较平坦，总体上西北和东南较高，东北、中部盆地及西南较低。地面标高为1 888.75～1 891.98 m，相对高差3.23 m。根据钻孔揭露，本次勘察深度范围内自上而下可分为第四系人工填土层（Q4ml）、第四系全新统冲湖积层（Q4al+l）、第四系上更新统冲湖积层（Q3al+l）及寒武系中统陡坡寺组（∈2d）4个地层单元。地基土构成层岩土物理力学指标具体如表1所示。

表1 岩土层物理力学指标

1.2.2 水文地质概况

场地地处冲湖积相沉积区，工程影响深度范围内场地地下水主要有上层滞水、孔隙水、承压水及基岩裂隙水4类。上层滞水赋存于素填土中，含水量小，水位较浅。孔隙潜水主要赋存于第4系冲湖积层的粉土、粉砂层中，透水性弱～中等、富水性中等。承压水主要赋存于10-2圆砾等含水层中，圆砾层渗透性好。基岩裂隙水主要赋存于车站下伏基岩风化裂隙中，连通性差，透水性差，受当地气象因素的影响不显著，水位升降决定于水压传递，总体富水性不均。

2 数值模拟

2.1 数值计算模型

为了研究昆明地铁5号线施工对地铁3号线影响，对昆明地铁5号线五一路站与地铁3号线省博物馆站及盾构隧道临近，采用有限元软件MIDASGTS NX，建立三维数值计算模型进行分析。

围岩与地下建构筑物整体有限元模型如图5—图6所示，横向宽度取230 m，纵向宽度取200 m，竖向高度取60 m，5号线隧道长度为85.6 m，3号线隧道长度为77.7 m，盾构隧道管片衬砌采用2D板单元，土体采用3D实体单元模拟，地连墙和旋喷桩采用3D实体单元模拟，车站顶板、中板、底板、侧墙及盖板均采用2D板单元模拟，车站柱及基坑开挖过程中混凝土支撑、钢支撑、钢管桩、格构柱、抗拔桩均采用1D梁单元模拟，模型四周均采用固定边界条件，顶面采用自由变形边界，考虑自重荷载。隧道和两个车站换乘通道处模型网格精细划分，从中心区域向边界逐渐加粗，模型网格数量为111 716。

图5 围岩与地下建构筑物整体有限元模型

图6 地下建构筑空间相对位置关系

2.2 计算参数

本次数值计算中共涉及2种屈服准则。岩土体等材料的破坏服从摩尔库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则，混凝土材料的破坏服从弹性本构（线型）关系。计算参数按照地勘报告给出的数据选取，模型中的土层及结构物理力学参数如表2所示。

表2 围岩及建构筑物材料基本物理力学参数

2.3 数值模拟过程

基坑施工采用有限元程序提供的“激活”与“钝化”功能进行处理，通过分次钝化单元和分次激活单元来模拟基坑开挖及围护结构的施作。模拟过程分为以下9个步骤：①根据地层参数给相应的几何模型赋值，并计算模型在自重作用下的初始应力场；②模拟既有3号线博物馆站及盾构隧道施工区间隧道开挖支护过程；③在第2步基础上将整个模型位移场清零，保持应力场不变情况下，模拟车站主体隔离保护及围护结构施工；④模拟5号线五一路站主体基坑开挖；⑤模拟五一路车站主体施工；⑥模拟垂直疏散楼梯围护结构施工、土体开挖，然后再施工垂直疏散楼梯结构；⑦模拟换乘通道围护结构施工、开挖，然后再施工换乘通道主体结构；⑧模拟新建隧道开挖、支护；⑨车站主体基坑、换乘通道基坑回填。

3 数值模拟结果分析

3.1 施工对既有结构的影响分析

将整个数值模拟分析分为以下工况：工况1：车站主体隔离保护及围护结构施工；工况2：车站主体基坑开挖；工况3：车站主体结构施工；工况4：楼梯间基坑开挖；工况5：楼梯间结构施工；工况6：换乘通道基坑开挖；工况7：换乘通道结构施工；工况8：5号线左线盾构隧道掘进3号线交叉断面处；工况9：5号线左线盾构隧道掘进五一路站端头；工况10：5号线右线盾构隧道掘进3号线交叉断面处；工况11：5号线右线盾构隧道掘进五一路站端头；工况12：对车站主体基坑、换乘通道基坑进行回填。

各个工况下既有车站主体、1号风亭、区间隧道的位移如表3—表8所示。规范允许车站主体控制值为±10 mm，附属风亭控制值为±15 mm，区间隧道控制值为±10 mm，在各个工况下，位移值均在允许控制范围内。

表8 各施工阶段对既有结构的位移影响（工况11、12）

图7 左线网格模型图

图8 右线网格模型

表3 各施工阶段对既有结构的位移影响（工况1、2）

表4 各施工阶段对既有结构的位移影响（工况3、4）

表5 各施工阶段对既有结构的位移影响（工况5、6）

表6 各施工阶段对既有结构的位移影响（工况7、8）

表7 各施工阶段对既有结构的位移影响（工况9、10）

3.2 施工对周边土体的影响分析

如图9所示，在5号线车站主体基坑开挖至基底时，周围地层X方向最大位移在位置2为19 mm；Y方向最大位移在位置2为-31 mm；Z方向基坑底部位置6处隆起位移为16 mm，顶面位置7、8及周围土体最大沉降位移为2 mm。

图9 基坑及周围地层各点位置示意

在车站主体结构施工完成到换乘通道结构施工完成整个过程中，周边土体的位移均不变，周围土层X方向最大位移在位置2处为33 mm，Y方向最大位移在位置2处为-40 mm，Z方向基坑底部位置6处隆起位移为9 mm，顶面位置7、8及土体最大沉降位移为14 mm。

在整个施工过程中，水平方向位移均小于《建筑基坑工程监测技术规范》中规定值50 mm，竖向位移均小于《建筑基坑工程监测技术规范》中规定值35 mm。

4 结论

1）根据有限元分析结果，从5号线五一路站基坑开挖到基坑覆土回填完成整个过程中，既有3号线省博物馆站主体、附属风亭及隧道区间的水平位移和竖向位移、周边土体的位移和沉降量均处于安全控制值范围内。

2）由于地下岩土工程的复杂性和多变性，在施工过程中应对既有车站主体、附属风亭、区间隧道的位移进行严格监测。加密监测测点的布置和监测频率，并建立监测联动机制及时反馈监测信息，根据现场监测结果并结合数值模拟分析，及时调整施工工艺和参数。

3）相邻地铁车站和隧道的修建对既有车站的影响较大，为了保障既有隧道和车站的结构安全和正常运行，在施工前和施工过程中运用有限元分析软件模拟施工过程是非常有必要的。