供水管線穿越地鐵既有結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與穩(wěn)定性分析

李 健

(北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司基建工程管理分公司，北京 100032)

1 引 言

城市軌道交通經(jīng)過近160年的不斷發(fā)展，已然成為新型城市的主要客運(yùn)交通工具。城市軌道交通具有運(yùn)行速度快、載運(yùn)量大、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)有助于解決城市地面交通擁堵問題。截止2020年底，國內(nèi)有45座城市開通運(yùn)營了城市軌道交通線路，運(yùn)營總里程到達(dá)了7 978.19 km。其中，北京城軌交通運(yùn)營總線路將近800 km，每天客運(yùn)量超過800萬人次，客運(yùn)量已躍居世界第一。

地鐵運(yùn)行安全至關(guān)重要。北京市地鐵管理?xiàng)l例及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：地鐵隧道50 m范圍內(nèi)屬地鐵保護(hù)區(qū)，新建工程施工需進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)、安全評(píng)估等前期準(zhǔn)備工作。隨著城市基建功能提升，大量市政道路改造工程、管線工程及管廊工程投入建設(shè)，不可避免的與既有地鐵線路產(chǎn)生交叉與并行關(guān)系，為了確保地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和運(yùn)行安全，需要在進(jìn)行穿越施工前，要對(duì)新建工程可能對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)和軌道的影響程度進(jìn)行評(píng)估，提出針對(duì)性防護(hù)措施。目前，主要利用有限元程序?qū)こ田L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，構(gòu)建數(shù)值模型，分析既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，確定隧道、軌道結(jié)構(gòu)防護(hù)建議。

2 工程概況

新建DN600給水主管線采用明開槽施工。新建管線需上穿北京市地鐵14#線善各莊車站及出入口。

主管線從崔各莊站車站主體及D出入口正上方穿越，主管線距離車站主體頂板間距為0.4～0.6 m，其中支5管線橫穿崔各莊站車站主體及臨近C出入口，支5距離車站主體距離為1～1.5 m。新建的工程在上穿已有軌道的施工過程中，對(duì)周圍土體無可避免地會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，由于周圍土體的開挖卸載會(huì)使既有結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的側(cè)移甚至上浮變形，就會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力。一旦既有結(jié)構(gòu)變形過大，則其正常使用會(huì)受到影響。因此，有必要對(duì)既有地鐵14#線善各莊站主體結(jié)構(gòu)、C出入口、D出入口受新建工程施工影響的安全性進(jìn)行評(píng)估。

3 穿越施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與穩(wěn)定性分析

目前，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)，有兩種常規(guī)和公認(rèn)的計(jì)算方法：荷載-結(jié)構(gòu)模型和地層-結(jié)構(gòu)模型。設(shè)計(jì)中常常采用荷載-結(jié)構(gòu)模型。地層-結(jié)構(gòu)模型中地下空間的結(jié)構(gòu)體系包含圍巖和支護(hù)兩個(gè)部分，圍巖既是荷載的來源，同時(shí)又是支護(hù)的重要組成部分。地層-結(jié)構(gòu)模型的主要分析對(duì)象為地下結(jié)構(gòu)和周圍巖土介質(zhì)，一般會(huì)從地層的初始應(yīng)力出發(fā)，利用巖體力學(xué)的方法來計(jì)算圍巖及支護(hù)對(duì)圍巖應(yīng)力和位移場(chǎng)的作用。地層-結(jié)構(gòu)模型一般適合于地質(zhì)條件等較為復(fù)雜的地下工程，如果需要考慮圍巖的非線性特征及施工過程對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響作用時(shí)，采用底層-結(jié)構(gòu)模型較為有利。

建立BIM三維模型，通過BIM清晰展示新建結(jié)構(gòu)與既有地鐵的相對(duì)關(guān)系。

在數(shù)值計(jì)算模型時(shí)，上邊界為地表，豎直方向共取50 m，水平方向上取值430 m，寬375 m。將地表設(shè)置為自由邊界，其他五個(gè)面則約束其法向變形。模型共劃分了95 862個(gè)單元，計(jì)45 824個(gè)節(jié)點(diǎn)。地面超載按20 kPa考慮。

計(jì)算中，不同的材料采用不同的本構(gòu)模型模擬，針對(duì)混凝土材料，采用線彈性模型，其他各層土體則采用莫爾-庫侖(M-C)模型。利用二維板單元對(duì)隧道襯砌進(jìn)行模擬。注漿效果按照剛度等效為板單元。

本次評(píng)估包含給水管線，數(shù)值計(jì)算模擬按照如下步驟進(jìn)行：初始階段：生成地層以及地鐵結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算出初始地應(yīng)力，將初始位移清零；第一步：開挖給水管線基坑；第二步：鋪設(shè)給水管線，回填基坑。

圖1展示了車站的主體結(jié)構(gòu)以及C、D出入口結(jié)構(gòu)在既定施工步驟下的豎向及水平方向位移云圖。

圖1 結(jié)構(gòu)豎向及水平位移云圖

受到新建給水管線施工的影響，14#線善各莊站主體車站結(jié)構(gòu)豎向最大變形0.75 mm(上浮)，移向新建結(jié)構(gòu)方向的垂直車站水平位移0.06 mm；移向新建結(jié)構(gòu)方向的C出入口結(jié)構(gòu)豎向及平行C出入口方向水平位移最大變形分別為0.41 mm(上浮)和0.05 mm，；移向新建結(jié)構(gòu)方向的D出入口結(jié)構(gòu)豎向及平行D出入口方向水平位移最大變形分別為0.23 mm(上浮)和0.05 mm。

4 地鐵結(jié)構(gòu)變形控制及規(guī)律分析

根據(jù)工程過程的實(shí)際特點(diǎn)，以及現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度，綜合地鐵運(yùn)營安全要求、設(shè)備運(yùn)行的安全要求以及變形預(yù)測(cè)結(jié)果，將本工程施工期間地鐵車站主體結(jié)構(gòu)以及C、D出入口結(jié)構(gòu)變形控制值確定為1 mm。并將控制值的80%作為報(bào)警值，70%作為預(yù)警值。

為了在施工過程中確保地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 保證線路運(yùn)行安全，采取了變形監(jiān)測(cè)手段對(duì)施工進(jìn)行全過程監(jiān)控。主要針對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)及其出入口的沉降變形、道床沉降變形進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布設(shè)間距為20～30 m。

通過對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行，可得到：①車站結(jié)構(gòu)的最大沉降量0.70 mm；②C/D出入口最大沉降量分別為0.38 mm和0.21 mm?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬最大值出現(xiàn)的位置基本一致，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大值略小于模擬預(yù)測(cè)值。

左線位置的豎向變形最大值為0.32 mm，右線位置的豎向變形最大值為0.56 mm，水平方向變形可忽略不計(jì)，變形值小于《線路狀態(tài)控制標(biāo)準(zhǔn)》(京港地鐵 DP-OE-025)中整體道床允許的變形值，地鐵14#線善各莊站軌道結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié) 論

穿越既有地鐵線路的新建工程，在施工過程中會(huì)引起結(jié)構(gòu)和軌道產(chǎn)生一定的附加變形，為了預(yù)測(cè)與控制變形量，施工前必須對(duì)施工工藝、工序進(jìn)行安全性影響分析，利用數(shù)值模擬程序構(gòu)建三維模型確定既有結(jié)構(gòu)中可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的區(qū)域及變形規(guī)律；劃分重點(diǎn)影響區(qū)域與普通影響區(qū)域，提出施工過程中的變形控制值。本工程施工引發(fā)地鐵變形預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本一致，變形滿足地鐵運(yùn)行安全的要求，施工隊(duì)地鐵結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生明顯影響，施工工藝及工序安全、可行。