地铁施工对新建电力隧道的安全影响分析

韩伟

（苏交科集团股份有限公司,南京210000）

地铁施工对新建电力隧道的安全影响分析

韩伟

（苏交科集团股份有限公司,南京210000）

随着城市基础设施的快速发展，地下空间也得到了越来越多的利用，出现了各种地下市政设施与修建地铁相互交叉穿越的现象，工程施工难度大、风险高，是需要亟待解决的难题。论文以城市地铁穿越新建电力隧道为工程背景，采用ANSYS有限元进行数值模拟，由于电力隧道是新建结构，因此，在数值分析中，先进行电力隧道开挖，然后再分析地铁隧道的开挖对新建电力隧道支护结构的安全影响，所得结论为后续工程提供一定的借鉴依据。

地铁施工；电力隧道；支护结构；影响分析

1 引言

近年来，随着城市地下轨道交通的快速发展，城市市政管网临近地铁区间时有上、下穿地铁区间情况的发生[1～4]，现有工程位于某市地铁3号线，电力隧道下穿地铁区间隧道，地铁隧道为盾构施工，位于主干大街正下方，电力隧道呈约70°角从其下方斜穿过主干大街。论文研究地铁盾构施工对既有电力隧道初支安全性的影响，并采用荷载结构法对二衬强度及抗震性能进行检算。地铁隧道为半径为3m的圆形断面，埋深约10.5m，装配式衬砌厚度为300mm。既有电力隧道在地铁隧道下方11.65m处，初支和二衬厚度均为250 mm，埋深29.2m。地铁隧道与电力隧道的位置关系如图1所示，电缆隧道断面图如图2所示。

图1 电力隧道与地铁交叉断面示意图

图2 电缆隧道断面图

2 计算模式和计算参数

2.1 计算模式

采用大型有限元分析软件ANSYS进行仿真分析。模拟过程中新建电力隧道的位移、初支结构采用三维模型进行安全性检算，二衬采用二维荷载结构模型进行强度及抗震性检算。由于电力隧道是既有结构，因此，在模拟过程中，先进行电力隧道开挖，后进行地铁开挖。

2.2 地层参数

各土层的物理力学参数由地质勘察报告给出，计算断面处地层的主要物理力学指标如表1所示。

表1 检算断面地层的主要物理力学指标

2.3 支护材料参数

支护材料的主要物理力学指标如表2所示。

表2 支护材料力学参数

3 电力隧道位移和初期支护安全性检算

3.1 有限元模型

为了减小边界约束效应，计算范围应按左右边界距离隧道中心线3～5倍的洞泾考虑，底部边界应按底部边界距隧道底部距离2～3倍的隧道高度考虑。本模型左右20m,下边界距轨顶面15.7m，模型纵向60m。模型上顶面为自由面，其余边界面均施加法向约束。模型如图3、图4示。其中,地铁隧道采用盾构法施工，掘进尺度1.2m，电力隧道采用全断面法施工。

为消除边界影响，取模型中部距离地铁最近处为目标断面，提取该断面上电力隧道监测点的拱顶沉降、水平位移以及底板隆起随开挖步的变化规律,分析电力隧道开挖过程中的变形以及地铁隧道开挖对电力隧道的影响。

图3 电力隧道和地铁隧道挖通后的模型

图4 电力隧道与地铁隧道位置关系平面图

3.2 电力隧道位移分析

电力隧道拱顶沉降随开挖的变化见图5。

图5 拱顶沉降与开挖步的关系

电力隧道开挖初期，拱顶沉降不大，当开挖至监测断面时，拱顶沉降急剧增大，之后沉降速率开始减小至0。电力隧道贯通后，最终的拱顶沉降值约为2.51cm。地铁隧道的开挖会对电力隧道产生影响。隧道开挖初期，拱顶沉降值变化不大，当开挖至监测断面附近时，由于卸载作用，拱顶开始出现轻微回弹，地铁隧道贯通后，回弹量1.6mm左右。

图6 边墙中部位移与开挖步的关系

由图6可知，边墙中部监测点同样是在开挖初期变化不明显，当电力隧道开挖至监测断面时，产生较明显的水平位移，然后保持稳定，至电力隧道开挖完成基本没有增长。而上方地铁隧道的开挖卸载使边墙产生回弹，但位移值较小，约1mm，在开挖完成后基本恢复原位移值。

图7 底板隆起与开挖步的关系

由图7可知，地铁隧道开挖引起了电力隧道的底板隆起，至开挖到监测断面位置时，底板隆起速率达到最大，至电力隧道贯通，底板隆起值比电力隧道贯通时增大约2.5mm。

由此可见，地铁隧道的施工会对电力隧道变形产生影响，其开挖引起拱顶回弹和地板隆起的最大值约为2.5mm,影响较小。

3.3 电力隧道初支受力分析

取模型中部（z=-30m）处电力隧道初支单元为研究对象，提取第一和第三主应力，观察第一和第三主应力的主要分布位置以及地铁隧道的开挖对主应力的影响。

主应力云图如图8～图11所示。

图8 电力隧道贯通初支第一主应力(Pa)

图9 电力隧道贯通初支第三主应力(Pa)

图10 地铁开挖后初支第一主应力(Pa)

图11 地铁开挖后初支第三主应力(Pa)

可以看出，初支最大拉应力出现在仰拱与边墙交界处，电力隧道贯通时的最大拉应力值为8.06MPa，地铁隧道贯通时的最大拉应力在相同的位置，其值为8.02MPa，由此可知，地铁隧道的开挖会导致初支的最大拉应力值减小0.04MPa，是由于地铁开挖卸载的影响，不过前后差别较小。

初支最大压应力值也出现在仰拱与边墙交界处，电力隧道贯通时最大压应力值为26.3MPa，而地铁隧道贯通后最大压应力值为26.2MPa，相应减小了0.1MPa，同样，前后相差较小，说明地铁隧道的开挖对原有电力隧道影响不大。

4 电力隧道二衬安全性检算

4.1 荷载确定

组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。电力隧道所受荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载。检算过程参照相关设计规范。

4.2 计算模型

选取最大埋深29.2m处断面，计算模型如图12所示。

图12 二衬支护结构平面计算简图及单元节点编号

4.3 标准荷载组合作用下结构安全性分析

1）荷载

通过泰沙基理论求得：

对应得到侧压力系数为0.39。29.2m深度的压力为：

式中，γm为容重加权平均值，kN/m3；φm为内摩擦角加权平均值；σ为竖向压力，kN/m2；e为水平压力，kN/m2。

2）计算结果

结构计算弯矩和轴力具体结果如图13所示。

图13 结构计算内力

根据设计说明材料可知，二衬的断面配筋率为0.628%，保护层厚度为35mm。

根据图13可知二衬受力最大部位在仰拱中部处，弯矩为25.913 kN·m，轴力为179.89kN。此处安全系数最小,为6.44。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。计算结果表明，采用泰沙基土压力荷载，衬砌结构各截面具有较大的安全储备。满足结构强度要求，二衬结构安全。根据相关规范可知，裂缝宽度允许值为0.2mm，由计算结果可知裂缝宽度最大值为0.1652mm，满足规范要求。

4.4 地震荷载组合作用下结构安全性分析

1）荷载

本项目中，边墙及上拱部质量m1为4031g；仰拱质量m2为1837g；隧道高H为2.55m；仰拱高f为0.7m；隧道垂直覆土体质量m上为67932g；震前、震后侧向压力系数λa、λa'分别取0.446和0.442；隧道垂直覆压力q1为251.6kN/m2。

通过静力等效，求得地震荷载：

2）计算结果

结构计算弯矩和轴力具体结果如图14所示。

图14 结构计算内力

根据相关设计规范，地震荷载组合下对结构的安全系数进行检算，钢筋混凝土结构的安全系数不得小于2.0。计算结果表明，隧道结构各处最小安全系数为6.15，满足结构强度要求，且有一定的安全储备，符合规范规定，结构安全。

5 结论

1）地铁隧道的施工会对电力隧道变形产生影响，其开挖引起拱顶回弹和地板隆起的最大值约为2.5mm,影响较小。

2）电力隧道完成后，上方地铁隧道盾构施工对原有隧道结构影响不大，初支受力最大变化为0.1MPa，且拉应力较原来为减小的趋势，初支结构安全。地铁施工使电力隧道产生最大位移约为2.5mm，影响较小，原结构稳定。

3）根据标准荷载组合和偶然荷载组合2种形式，采用荷载—结构模型，对隧道二衬在使用阶段的强度和抗裂性能进行检算，并对其在地震荷载下进行安全性检算，根据检算结果，二衬结构设计参数满足强度要求及抗裂要求，且有一定的安全储备。

【1】曾远，李志高，王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J].地下空间与工程学报，2005(4):642-645.

【2】王涛.紧邻地铁区间隧道的深基坑施工变形研究[D].广州：广州大学，2007.

【3】王印.深基坑开挖对紧邻地铁车站影响的位移分析及施工保护措施研究[D].上海：同济大学，2008.

【4】王卫东，吴江斌，翁其平.基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟［J］.岩土力学，2004，25（增刊2）:251-255.

Analysis on the Influence of Subway Construction on the New Power Tunnel's Safety

HAN Wei
(JiangsuTransportationInstituteGroupCo.Ltd.,Nanjing 210000,China)

Withtherapiddevelopmentofurbaninfrastructure,undergroundspacehasalsobeenusedmoreandmore,andvariousnderground municipalfacilitiesandsubwaysintersecteachother.Theconstruction isofhighdifficultyandrisk.Theproblemsneedtobesolved.Thispaperis set in the engineeringbackground ofthe urban subwaycrossing the new-built power tunnel.ANSYS finite element isapplied in the numerical simulation.Becausethepowertunnelisanewstructure,inthenumericalanalysis,theexcavationofpowertunnelisthefirst,andthentheinfluence ofthe excavation ofthe subwaytunnel on thesafetyofthe newly-built power tunnel supporting structure is analyzed.The conclusions provide somereferenceforthefollow-upprojects.

subwayconstruction;powertunnel;supportingstructure;influenceanalysis

U231+.3；U451

A

1007-9467（2016）10-0059-04【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.027

2016-09-22

韩伟（1982～），男，工程师，湖北随州人，从事隧道工程设计研究。