轨道交通区间隧道对主城排水干管结构影响研究
——以重庆轨道交通18号线工程四川美院—电厂站为例
2022-09-20吴天
吴天
（重庆轨道十八号线建设运营有限公司，重庆 400000）
1 工程概况
1.1 安全评估背景
重庆轨道交通18 号线工程起于富华路站，终于跳磴南站。 线路全长约29.015km，其中地下线约18.76km，共设19 座车站，地下站12 座，高架站7 座。
其中四川美院—电厂站区间穿越主城排水干管，项目在实施过程中对干管存在安全风险，需要开展安全评估工作。
1.2 主城排水干管工程的概况
1.2.1 主城排水干管工程概况
主城排水干管延长线起点位于李家沱大桥西南（SD-1），终点至杨九路已建成C 线（SD-19），全长1530m，采用复合式衬砌隧道形式，其断面净空尺寸为1.7m×1.8m，于2014年建成并运营，如图1 所示。
图1 排水C 干管衬砌断面图（单位：mm）
1.2.2 四川美院站—电厂站区间工程概况
四川美院—电厂站区间呈南北方向布置，区间采用矿山法+TBM 法施工，暗挖段总长305.170m，TBM段总长979.281m。穿越排水C 干管区间结构为TBM段和暗挖段各一处，如图2 所示。
图2 四川美院站—电厂站区间平面布置图（图中砼=混凝土）
1.3 相对位置关系
四川美院站—电厂站区间在右线DK21+015～+030 段（TBM 法）、DK21+288～+312 段（矿山 法）上跨排水干管。
其中DK21+015～+030 段上跨排水干管，两者结构竖向距离最小为3.03m，其平剖面关系、剖面关系分别如图3 所示。
图3 DK21+015～+030 段与排水C 干管剖面关系图
1.4 评估内容及控制标准
隧道在开挖过程中不可避免会对岩土体造成扰动，从而对既有排水干管产生影响，两者间存在复杂的土体-结构相互作用。
参照《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2019）相关规定，刚性管道（如燃气管线，雨污水管等）绝对沉降量达到10～30mm 时应报警。考虑到排水C干管的重要性，评估控制标准比上述规范规定严格，如表1 所示。
表1 排水C 干管位移变形控制标准
评估对象排水C干管控制指标沉降（隆起）控制值≤15mm
2 评估依据
2.1 文件依据
其一，《重庆轨道交通十八号线工程主城排水C干管延长线专项保护方案》（中国铁路设计集团有限公司，2020.08）；
其二，《重庆轨道交通十八号线工程岩土地质勘察报告（四川美院站至电厂站区间）》（中国铁路设计集团有限公司，2019.01）；
其三，《重庆轨道交通十八号线工程电厂站施工图设计文件》（ 中国铁路设计集团有限公司，2019.11）；
其四，《重庆主城排水C 干管延长段》（2014.04）。
2.2 规范依据
《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012），《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（2015年版），《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012），《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2019），《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013），《地铁设计规范》（GB 50157—2013），《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）。
3 工程地质与水文地质
3.1 气象、水文
场地属亚热带季风性湿润气候，日照总时数大约1000～1200h，冬暖夏热，无霜期长、雨量充沛、温润多阴、雨热同季，全年降雨量1000～1400mm。
3.2 地形地貌
拟建四川美院—电厂站区间位于城市次干黄桷坪正街之下，原始地貌属构造剥蚀丘陵地貌，场地总体趋势南北高中部低，地势较平缓，地形坡角一般0～20，局部陡坎最大可达30，地面高程215～235m。
3.3 地质构造
地质构造隶属金鏊寺向斜东翼，场地内未发现断层通过。该工程主要地处构造剥蚀丘陵地带水文地质，情况相对简单，上覆土层主要为四系全新统人工填土层（Q）、残坡积层（Q）粉质黏土、冲积层（Q）卵石土，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组（J2s）岩层。
3.4 不良地质现象
在钻探勘察过程中，未发现断层、滑坡、危岩、崩塌、泥石流等不良地质现象。
4 计算模型
4.1 材料本构模型
此次计算中，岩土体材料采用M-C 模型。M-C本构模型是模拟岩土材料最常用的一种模型，该模型包含剪切和拉伸两个模型破坏准则。
4.2 岩土体及结构计算力学参数
岩土物理力学参数如表2 所示。
表2 岩土物理力学参数表
岩土类别容重/（kN/m3）弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa 摩擦角/°杂填土强风化砂质泥岩中风化砂岩中风化砂质泥岩21.0 24.0 25.0 25.5 20 100 3650 2167 0.45 0.40 0.10 0.37 3 3 2420 787 25 25 44 33
4.3 计算方法
地层结构法主要包括地层的合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟以及施工过程中结构与周围地层的相互作用模拟。
4.4 计算软件
此次评估分析选取大型通用有限元软件MIDAS/GTS 作为计算平台。分析类型包括：静力分析、施工阶段分析、渗流分析、固结分析、边坡稳定、动力分析。
5 区间隧道对排水C 干管变形计算分析
三维有限元模型，分析四电区间隧道对排水C 干管的位移、变形影响，评价设计方案的合理性。
5.1 计算模型
5.1.1 建立三维有限元模型，岩土层按实际岩层分布进行建模，模型尺寸及材料参数均按照施工图进行设置和选取。
该模型考虑的计算荷载有：岩土体及结构自重；TBM 自重400t，主机长度10m，按400kN/m 取值（作用在隧道底部4m 范围考虑），TBM 掘进中推力1200t。
计算模型如图4 所示：
图4 计算模型图
5.1.2 主要计算步骤如下：
初始自重应力场—开挖排水C 干管及支护—位移清零—按1.5m 循环进尺，左线盾构隧道掘进及支护—按1.5m 循环进尺，右线盾构隧道掘进及支护。
5.2 计算结果分析
5.2.1 针对主要计算步骤，对四电区间TBM 区间围岩变形进行分析。
（1）步骤4：左线盾构隧道掘进及支护，如图5所示。
图5 左线隧道掘进完成后围岩位移云图
（2）步骤5：右线盾构隧道掘进及支护，如图6所示。
图6 右线隧道掘进完成后围岩位移云图
左线隧道掘进及支护完成后，围岩最大水平位移为1.31mm，最大竖向位移为3.26mm；右线隧道掘进及支护完成后，围岩最大水平位移为1.45mm，最大竖向位移为4.06mm，最大位移主要集中在隧道周边。
5.2.2 针对主要计算步骤，对四电区间TBM 区间上跨排水C 干管变形进行分析。
（1）步骤4：左线隧道掘进及支护，如图7 所示。
图7 左线隧道掘进完成后排水C 干管竖向位移
（2）步骤5：右线构隧道掘进及支护，如图8 所示。
图8 右线隧道掘进完成后排水C 干管竖向位移
左线隧道掘进及支护完成后，排水C 干管最大竖向位移为1.15mm；右线隧道掘进及支护完成后，排水C 干管最大竖向位移为1.10mm。
5.3 小结
根据三维有限元模型，分析区间隧道开挖对排水C 干管线的位移变形影响，可以得到如下结论：
区间隧道开挖完成后，引起排水C 干管最大隆起值为1.10mm，最大沉降值为0.44mm，满足控制指标不大于15mm。
6 结语
该项目施工过程中，排水C 干管的各项控制指标满足规范要求，设计方案基本可行。四川美学院站—电厂站区间隧道开挖完成后，引起排水C 干管隆起值为1.10mm，均满足控制指标不大于15mm 要求。
