市政·交通·水利工程设计
Municipal·Traffic·WaterResourcesEngineeringDesign
拟建地铁车站施工对新建电力隧道结构安全影响分析
AnalysisontheSafetyInfluenceoftheProposedSubwayStationConstructionon
theNewPowerTunnelStructure
祝喜庆
（中铁上海设计院集团有限公司城建设计院，上海200070）
ZHUXi-qing
(UrbanConstructionDesignInstituteofChinaRailwayShanghaiDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Shanghai200070,China)
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【摘要】随着我国基础设施建设的快速发展，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。
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】WiththerapiddevelopmentofChina'sinfrastructureconstruction,thesubwayisbuiltinmoreandmorelargeandmedium
cities.However,complexexistingpipelinesareoftenaffectedbythesubwaystationanditsintervalconstruction.Nowasubwaystationneedstogothroughtheexistingpowertunnelstructure.Thethree-dimensionalsimulationwasappliedbythemeansofthelarge-scalefiniteelementsoftwareANSYS,toanalyzethedisplacementanalysisofthepowertunnelmonitoringsection,andthemainstressanalysisofthepowertunnelmonitoringsection'sstructurebeforeandaftertheconstructionoftheproposedsubwaystation.Theresultsshowthat,theconstructionoftheproposedsubwaystationhasacertaineffectonthatofthenewpowertunnel.Accordingtothecalculationoftheinternalforceofthestructure,thestructureofthenewpowertunnelprovestobesafe.
【关键词】地铁车站；施工；电力隧道；安全分析
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】subwaystation;construction;powertunnel;safetyanalysis
【中图分类号】TU94+2【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2016）09-0067-04
【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.1041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交叉现象。这种新建线路穿越也出现了越来越多的工程交叠、
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
【作者简介】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。
图1新建电缆隧道标准断面尺寸（mm）
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工程建设与设计
Construction&DesignForProject
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。
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，模型该模型上表面为自由面，其余各面均加法向位移前后方向取40m范围。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。
图3
地铁车站施工步简化示意图（mm）
图2
地铁车站暗挖段标准断面尺寸（mm）
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。
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厚度
/m初支二衬
地层条件C25喷射混凝土C30钢筋混凝土
厚度/m1.18.93.62.14.9以下
地层条件杂填土黄土状粉质黏土
粉细砂粉质黏土细沙含卵砾石中粗砂
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
泊松比μ0.350.350.320.350.310.30
摩擦角φ（/°）24.623.624.922.725.836
黏聚力
C/kPa20.318/917.119.117.417
容重γ（/kN/m3）19.318.715.619.315.120
压缩模量
Es/MPa4.696.1610.596.429.4435
注：表中数据按调查报告（S1-LCZ-DSC-07）钻孔数据取值，斜体部分按经验取值。
表2支护材料力学参数
泊松比
μ0.200.16
摩擦角φ（/°）6060
黏聚力
C/kPa1.31.3
容重γ（/kN/m3）2525
压缩模量
Es/MPa2331
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。
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。市政·交通·水利工程设计
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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
图15
平面模型初期支护第三主
力（Pa）
应力（Pa）
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工程建设与设计
Construction&DesignForProject
弯矩/N·ma初支弯矩图轴力/Nb初支轴力图
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，新建电力拱顶位置隧道二衬第一主应力最大值在仰拱位置为0.03MPa。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20所示。图19、
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。
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。
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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
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【收稿日期】2016-07-25
