拟建地铁车站施工对新建电力隧道结构安全影响分析

祝喜庆

（中铁上海设计院集团有限公司城建设计院，上海200070）

拟建地铁车站施工对新建电力隧道结构安全影响分析

祝喜庆

（中铁上海设计院集团有限公司城建设计院，上海200070）

随着我国基础设施建设的快速发展，城市地铁建设在大中城市也越来越多，然而复杂的城市既有管线往往会受到地铁车站及区间施工的影响。现有某地铁车站施工需穿越既有电力隧道结构，采用大型有限元软件ANSYS进行三维仿真分析，内容包括拟建地铁车站施工前、施工后电力隧道监测断面位移分析和电力隧道监测断面结构主应力分析。分析结果表明，拟建地铁车站施工对新建电力隧道有一定影响，经过检算结构内力，可知新建电力隧道结构是安全的。

地铁车站；施工；电力隧道；安全分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.030

1 引言

随着城市现代化进程的加快，城市轨道交通网得到快速发展，缓解了日益严峻的城市交通压力。同时城市地下交通网也出现了越来越多的工程交叠、交叉现象。这种新建线路穿越既有线路已经成为工程界的重点工程，引起了大量学者、研究人员的关注，并已经开展了大量的研究[1～4]。现以某地铁车站穿越既有电力隧道结构为工程背景，采用大型ANSYS有限元软件模拟拟建地铁车站施工对新建电力隧道结构安全的影响，地铁车站暗挖段底板埋深为21.7m，新建电力隧道拱顶埋深为31m，即拟建地铁车站与新建电力隧道净距为9.3m。其中新建电力隧道横断面尺寸为2200mm×2300mm，如图1所示。地铁车站主体暗挖段断面，如图2所示。模拟中对地铁车站暗挖段开挖步简化，开挖步如图3所示。地铁车站与新建电力隧道结构示意图如图4所示。

图1 新建电缆隧道标准断面尺寸（mm）

2 计算模型和计算参数

2.1 计算模型

计算中地层以及初期支护采用实体单元模拟、二次衬砌采用壳单元模拟。为了减少边界约束效应的影响，计算范围应按左右边界距离隧道中心线3～5倍的洞径考虑，底部边界应按底部边界距隧道底部距离3～5倍的隧道高度考虑。该模型左右各取20m，向下取至-16m处，上面取至地面。因为考虑到地铁主体暗挖段对新建电力隧道而言主要是荷载释放过程，可以不考虑车站主体暗挖段左右边界的影响，因此，模型前后方向取40m范围。该模型上表面为自由面，其余各面均加法向位移约束。模型如图5所示。

目前，地铁车站项目正在施工准备阶段尚未开工，按照工程实际情况，适当简化模型和地铁车站暗挖段的施工，模拟地铁车站施工过程当中可能对电力隧道结构产生的安全影响，提前预见可能出现的问题，及时作出解决预案，保证工程施工安全顺利进行。

2.2 计算参数

根据相关设计文件，新建电力隧道拱顶埋深10～14m之间，根据隧道纵断面分布特点，最不利断面处地层的主要物理力学指标如表1所示，支护材料力学参数如表2所示。

3 计算结果分析

3.1 施工前后隧道监测断面位移分析

选取模型中间断面（Z=20m处）最具代表性的断面作为监测断面。

拟建地铁车站施工前新建电力隧道监测断面位移如图6、图7所示。

根据图6、图7计算结果可知，拟建地铁车站施工前，新建电力隧道拱顶沉降值为7mm，仰拱隆起值为8mm，水平收敛6mm。

拟建地铁车站暗挖段贯通后监测断面洞周收敛如图8、图9所示。

根据图8、图9计算结果得，当拟建铁车站暗挖段施工完成新建隧道拱顶沉降为-5mm，仰拱隆起20mm，水平收敛值为6mm。

图2 地铁车站暗挖段标准断面尺寸（mm）

图3 地铁车站施工步简化示意图（mm）

图4 新建隧道与地铁车站结构示意图

图5 模型立体效果图

表1 地层参数及各土层厚度

表2 支护材料力学参数

3.2 施工前后隧道监测断面初支应力分析

为了减少边界效应的影响选取模型中间最具代表性断面作为监测断面（Z=20m）。

拟建地铁车站施工前新建电力隧道初期支护主应力如图10、图11所示。

根据图10可知拟建地铁车站暗挖段施工前，新建隧道初期支护第一主应力最大值在仰拱位置，其值为11.3MPa。拱顶位置第一主应力值为8MPa。

根据图11可知拟建地铁车站暗挖段施工前，新建电力隧道初期支护第三主应力最大值在墙角位置，其值为18.8MPa。

拟建地铁车站施工完成新建电力隧道初期支护主应力如图12、图13所示。

根据图12可知拟建地铁车站施工完成新建电力隧道初期支护第一主应力最大值在拱顶位置其值为11.5MPa，比地铁车站施工前拱顶位置第一主应力增加了3.5MPa。

根据图13可知拟建地铁车站施工完成新建电力隧道初期支护第三主应力最大值同样在墙角位置其值为18.7MPa。比拟建地铁车站施工前减少了0.1MPa。

新建隧道初期支护主应力较大，现用二维有限元模型对初期支护进行安全度检算。

平面模型中初期支护主应力如图14、图15所示，结构内力如图16所示。

根据相关设计规范，钢筋混凝土结构的安全系数不得小于2.0。根据结构内力表明，初支结构各截面最小的安全系数为2.01，最大为29.34，结构具有一定的安全储备。满足结构强度要求，初支结构安全。

图6 施工前监测断面竖向位移（m）

图7 施工前监测断面水平位移（m）

图8 监测断面围岩竖向位移（m）

图9 监测断面围岩水平位移（m）

图10 隧道初期支护第一主应力（Pa）

图11 隧道初期支护第三主应力（Pa）

图12 隧道初期支护第一主应力（Pa）

图13 隧道初期支护第三主应力（Pa）

图14 平面模型初期支护第一主应力（Pa）

图15 平面模型初期支护第三主应力（Pa）

3.3 施工前后隧道监测断面二衬应力分析

拟建地铁车站施工前新建电力隧道二衬主应力如图17、图18所示。

图16 初支结构内力图

图17 电力隧道二衬第一主应力（Pa）

图18 电力隧道二衬第三主应力（Pa）

图19 电力隧道二衬第一主应力（Pa）

图20 电力隧道二衬第三主应力（Pa）

根据图17可知，拟建地铁车站暗挖段施工前，新建电力隧道二衬第一主应力最大值在仰拱位置为0.03MPa。拱顶位置第一主应力值为0.01MPa。

根据图18可知拟建地铁车站暗挖段施工前，新建电力隧道二衬第三主应力最大值在墙角位置为0.025MPa。

拟建地铁车站施工完成新建电力隧道二衬主应力如图19、图20所示。

根据图19可知当拟建地铁车站暗挖段贯通后新建电力隧道二衬第一主应力最大值发生在拱顶位置为2.98MPa，比地铁车站施工前拱顶处增大了2.97MPa。

根据图20可知当拟建地铁车站暗挖段贯通后新建电力隧道二衬第三主应力最大值同样在墙角位置其值为3.22MPa。比拟建地铁车站施工前增大了3.2MPa。

同理，计算可得二衬结构各截面最小的安全系数为6.88，结构具有一定的安全储备。满足结构强度要求，二衬结构安全。

4 结论

1）拟建地铁车站施工对新建电力隧道变形影响不大，拟建地铁施工使新建电力隧道整体抬升12mm，对水平收敛基本无影响。

2）由计算结果可知，拟建地铁车站施工对新建电力隧道结构应力有一定影响，经过检算结构内力，新建电力隧道结构安全。

【1】葛世平，廖少明，陈立生，等.地铁隧道建设与运营对地面房屋的沉降影响与对策[J].岩石力学与工程学报，2008，27(3)∶550-556.

【2】孙洪硕，察福超，冯宝才，等.地铁施工对电力隧道的安全影响分析［J］.市政技术，2013，33(3)∶109-113.

【3】张海波，殷宗泽，朱俊高.近距离叠交隧道盾构施工对老隧道影响的数值分析[J].岩土力学，2005，26(2)∶282-286.

【4】黄宏伟，张冬梅.盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控[J].岩石力学与工程学报，2001,20(增)∶1814-1820.

Analysis on the Safety Influence of the Proposed Subway Station Construction on the New Power Tunnel Structure

ZHU Xi-qing
(Urban Construction Design Institute of China Railway Shanghai Design Institute Group Co.Ltd.,Shanghai 200070,China)

With the rapid development of China's infrastructure construction,the subwayis built in more and more large and medium cities. However,complex existing pipelines are often affected by the subway station and its interval construction.Now a subway station needs to go through the existing power tunnel structure.The three-dimensional simulation was applied by the means of the large-scale finite element soft ware ANSYS,to analyze the displacement analysis of the power tunnel monitoring section,and the main stress analysis of the power tunnel monitoring section's structure before and after the construction of the proposed subway station.The results show that,the construction of the proposed subway station has a certain effect on that of the new power tunnel.According to the calculation of the internal for ce of the structure, the structure of the new power tunnel proves to be safe.

subway station;construction;power tunnel;safety analysis

TU94+2

A

1007-9467（2016）09-0067-04

2016-07-25

祝喜庆（1982～），男，江西上饶人，工程师，从事城市轨道交通结构设计研究。