供水管线穿越地铁既有结构风险识别与稳定性分析

李 健

(北京市自来水集团有限责任公司基建工程管理分公司，北京 100032)

1 引 言

城市轨道交通经过近160年的不断发展，已然成为新型城市的主要客运交通工具。城市轨道交通具有运行速度快、载运量大、运行稳定等特点，这些特点有助于解决城市地面交通拥堵问题。截止2020年底，国内有45座城市开通运营了城市轨道交通线路，运营总里程到达了7 978.19 km。其中，北京城轨交通运营总线路将近800 km，每天客运量超过800万人次，客运量已跃居世界第一。

地铁运行安全至关重要。北京市地铁管理条例及相关标准规定：地铁隧道50 m范围内属地铁保护区，新建工程施工需进行专项设计、安全评估等前期准备工作。随着城市基建功能提升，大量市政道路改造工程、管线工程及管廊工程投入建设，不可避免的与既有地铁线路产生交叉与并行关系，为了确保地铁结构稳定性和运行安全，需要在进行穿越施工前，要对新建工程可能对既有地铁隧道结构和轨道的影响程度进行评估，提出针对性防护措施。目前，主要利用有限元程序对工程风险进行识别，构建数值模型，分析既有结构变形规律，确定隧道、轨道结构防护建议。

2 工程概况

新建DN600给水主管线采用明开槽施工。新建管线需上穿北京市地铁14#线善各庄车站及出入口。

主管线从崔各庄站车站主体及D出入口正上方穿越，主管线距离车站主体顶板间距为0.4～0.6 m，其中支5管线横穿崔各庄站车站主体及临近C出入口，支5距离车站主体距离为1～1.5 m。新建的工程在上穿已有轨道的施工过程中，对周围土体无可避免地会产生扰动，由于周围土体的开挖卸载会使既有结构会产生一定的侧移甚至上浮变形，就会对结构内部会产生一定的附加内力。一旦既有结构变形过大，则其正常使用会受到影响。因此，有必要对既有地铁14#线善各庄站主体结构、C出入口、D出入口受新建工程施工影响的安全性进行评估。

3 穿越施工风险识别与稳定性分析

目前，关于地下结构，有两种常规和公认的计算方法：荷载-结构模型和地层-结构模型。设计中常常采用荷载-结构模型。地层-结构模型中地下空间的结构体系包含围岩和支护两个部分，围岩既是荷载的来源，同时又是支护的重要组成部分。地层-结构模型的主要分析对象为地下结构和周围岩土介质，一般会从地层的初始应力出发，利用岩体力学的方法来计算围岩及支护对围岩应力和位移场的作用。地层-结构模型一般适合于地质条件等较为复杂的地下工程，如果需要考虑围岩的非线性特征及施工过程对隧道稳定性的影响作用时，采用底层-结构模型较为有利。

建立BIM三维模型，通过BIM清晰展示新建结构与既有地铁的相对关系。

在数值计算模型时，上边界为地表，竖直方向共取50 m，水平方向上取值430 m，宽375 m。将地表设置为自由边界，其他五个面则约束其法向变形。模型共划分了95 862个单元，计45 824个节点。地面超载按20 kPa考虑。

计算中，不同的材料采用不同的本构模型模拟，针对混凝土材料，采用线弹性模型，其他各层土体则采用莫尔-库仑(M-C)模型。利用二维板单元对隧道衬砌进行模拟。注浆效果按照刚度等效为板单元。

本次评估包含给水管线，数值计算模拟按照如下步骤进行：初始阶段：生成地层以及地铁结构模型，计算出初始地应力，将初始位移清零；第一步：开挖给水管线基坑；第二步：铺设给水管线，回填基坑。

图1展示了车站的主体结构以及C、D出入口结构在既定施工步骤下的竖向及水平方向位移云图。

图1 结构竖向及水平位移云图

受到新建给水管线施工的影响，14#线善各庄站主体车站结构竖向最大变形0.75 mm(上浮)，移向新建结构方向的垂直车站水平位移0.06 mm；移向新建结构方向的C出入口结构竖向及平行C出入口方向水平位移最大变形分别为0.41 mm(上浮)和0.05 mm，；移向新建结构方向的D出入口结构竖向及平行D出入口方向水平位移最大变形分别为0.23 mm(上浮)和0.05 mm。

4 地铁结构变形控制及规律分析

根据工程过程的实际特点，以及现有测量仪器的测量精度，综合地铁运营安全要求、设备运行的安全要求以及变形预测结果，将本工程施工期间地铁车站主体结构以及C、D出入口结构变形控制值确定为1 mm。并将控制值的80%作为报警值，70%作为预警值。

为了在施工过程中确保地铁结构稳定， 保证线路运行安全，采取了变形监测手段对施工进行全过程监控。主要针对车站主体结构及其出入口的沉降变形、道床沉降变形进行监控测量，测点布设间距为20～30 m。

通过对各个测点获得的监测数据进行，可得到：①车站结构的最大沉降量0.70 mm；②C/D出入口最大沉降量分别为0.38 mm和0.21 mm。现场实际监测数据与模型模拟最大值出现的位置基本一致，现场实际监测数据最大值略小于模拟预测值。

左线位置的竖向变形最大值为0.32 mm，右线位置的竖向变形最大值为0.56 mm，水平方向变形可忽略不计，变形值小于《线路状态控制标准》(京港地铁 DP-OE-025)中整体道床允许的变形值，地铁14#线善各庄站轨道结构安全。

5 结 论

穿越既有地铁线路的新建工程，在施工过程中会引起结构和轨道产生一定的附加变形，为了预测与控制变形量，施工前必须对施工工艺、工序进行安全性影响分析，利用数值模拟程序构建三维模型确定既有结构中可能产生危险的区域及变形规律；划分重点影响区域与普通影响区域，提出施工过程中的变形控制值。本工程施工引发地铁变形预测值与实测值基本一致，变形满足地铁运行安全的要求，施工队地铁结构及轨道结构未产生明显影响，施工工艺及工序安全、可行。