翟明杰楊進(jìn)新付云升朱銀邦

（1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 100048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京100048）

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷發(fā)展，穿越、跨越和鄰近既有工程的新建工程逐年增多。新建工程鄰近既有工程施工，會(huì)引起既有工程結(jié)構(gòu)的變形和附加應(yīng)力，進(jìn)而影響既有工程的安全運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于對(duì)于暗挖施工穿越既有工程的研究已經(jīng)取得了一些成果，陶連金等提出了盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)安全的評(píng)估方法［1，2］；何川等研究了盾構(gòu)隧道施工對(duì)已建平行隧道變形和附加內(nèi)力的影響［3］；王子甲等研究了雙線(xiàn)暗涵近距離下穿既有地鐵車(chē)站的影響及變形控制［4，5］；童立元、白海衛(wèi)等研究了新建隧道下穿上部既有地鐵隧道的安全影響及變形規(guī)律［6，7］；朱蕾等研究了盾構(gòu)近距離下穿對(duì)上覆已建隧道影響的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［8］；仇文革等系統(tǒng)地分析了地下工程近距離施工的力學(xué)原理和施工對(duì)策［9］；白廷輝等系統(tǒng)地分析了盾構(gòu)近距離下穿對(duì)既有地下構(gòu)筑物的影響［10］。

目前少有關(guān)于新建工程穿越施工對(duì)大型水工輸水暗涵的安全影響研究，特別是結(jié)合實(shí)際施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演，進(jìn)而分析穿越施工對(duì)既有輸水暗涵安全影響的實(shí)例更是少見(jiàn)。與一般既有地下構(gòu)筑物相比，輸水暗涵具有如下特點(diǎn)：①現(xiàn)狀檢測(cè)難：由于輸水暗涵長(zhǎng)期處于輸水狀態(tài)，很難對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估；②監(jiān)控量測(cè)難：對(duì)輸水暗涵而言，地表沉降數(shù)值容易進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是暗涵本身沉降及應(yīng)力數(shù)值等不易監(jiān)測(cè)；③發(fā)生事故后補(bǔ)救困難：對(duì)于輸水暗涵，一旦發(fā)生問(wèn)題，必須進(jìn)行停水檢修加固，影響較大。

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)安全就意味著內(nèi)力和變形均不超過(guò)限值，而內(nèi)力又是和變形密切相關(guān)的，且變形特別是地面沉降在實(shí)際施工中比較容易進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此本文期望通過(guò)分析地面沉降數(shù)據(jù)來(lái)間接判斷結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

本文以北京某新建地鐵隧道下穿既有南水北調(diào)輸水暗涵工程為對(duì)象，研究了地鐵隧道近距離下穿輸水暗涵對(duì)既有暗涵結(jié)構(gòu)及運(yùn)行的安全影響，并采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合施工方案及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用反演分析方法對(duì)穿越施工進(jìn)行后評(píng)價(jià)分析研究，進(jìn)而判斷穿越施工對(duì)既有南水北調(diào)暗涵工程的安全影響，并驗(yàn)算計(jì)算模型假定及參數(shù)的合理性，對(duì)今后類(lèi)似穿越工程的安全評(píng)價(jià)具有借鑒作用。

1 工程概況

1.1 穿越段地鐵隧道設(shè)計(jì)情況

穿越段地鐵隧道采用礦山法施工，地鐵隧道與輸水暗涵豎向凈距為1.98m。地鐵采用左右線(xiàn)雙洞設(shè)計(jì)，隧道結(jié)構(gòu)尺寸及與輸水暗涵相對(duì)高程關(guān)系如圖1所示。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)型式為馬蹄形斷面，高6.5m，寬6.2m，采用復(fù)合式襯砌，外側(cè)初期支護(hù)為0.25m噴射混凝土，二襯結(jié)構(gòu)為0.3m厚C40，P10鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。兩區(qū)間隧道線(xiàn)間距為14m。

與普通段相比，穿越段采取了如下加固措施：在影響范圍前后10m內(nèi)，格柵加密為0.5m，增加臨時(shí)仰拱（I18a臨時(shí)支撐），拱部采用雙排φ25mm小導(dǎo)管超前支護(hù)，采用快凝快硬漿液，回填注漿緊跟，開(kāi)挖過(guò)程中，減小開(kāi)挖步距控制在0.5m，增加臨時(shí)仰拱，使上半斷面快速封閉，并及時(shí)打設(shè)鎖腳錨管。初襯完成后，及時(shí)加強(qiáng)背后充填注漿。交叉區(qū)段地鐵區(qū)間注漿加固橫斷面如圖2所示。

圖1 隧道與暗涵相對(duì)位置關(guān)系Fig.1 Cross-section of the tunnel in relation to the buried culvert

圖2 地鐵隧道注漿加固橫斷面示意Fig.2 Cross-section of grouting reinforcement of subway tunnel

1.2 穿越段輸水暗涵設(shè)計(jì)情況

穿越段輸水暗涵采用雙管低壓輸水方案，工程主體采用2孔φ4.0m并行圓涵，暗挖段圓涵為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，采用淺埋暗挖法修建，正臺(tái)階法開(kāi)挖。初期支護(hù)為格柵鋼架加鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，厚300mm；二襯為模筑鋼筋混凝土，厚300mm。穿越段輸水暗涵橫斷面如圖3所示。

1.3 穿越段地質(zhì)情況

地鐵區(qū)間隧道穿越地層及地鐵與暗涵之間土層為卵石層，該卵石層個(gè)別粒徑＞20cm，一般4cm～6cm，亞圓形，中粗砂填充，卵石含量約70%，滲透系數(shù)大，為強(qiáng)透水層，適宜漿液的擴(kuò)散，可注漿性較好。地鐵與暗涵之間卵石層屬Ⅵ級(jí)圍巖，圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍落現(xiàn)象。地下水類(lèi)型為潛水，施工期水位位于區(qū)間結(jié)構(gòu)以下。

圖3 輸水暗涵橫斷面示意Fig.3 Cross-section of conveyance buried culvert

2 監(jiān)控量測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的范圍為在影響范圍內(nèi)（隧道1倍的埋置深度）構(gòu)筑物上布置測(cè)點(diǎn)。沿南水北調(diào)涵洞縱向正上方分別布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩涵洞中間布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共11個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖4 沉降測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 The sistribution of sag monitoring points

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

如表1及圖5所示，暗涵上方地表最大沉降為4.98mm，沉降速率最大為0.02mm/d。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of monitoring data

圖5 暗涵地面沉降曲線(xiàn)Fig.5 Ground vertical subsidence of buried culvert

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析評(píng)價(jià)

從監(jiān)測(cè)方案可見(jiàn)，地表沉降測(cè)點(diǎn)基本覆蓋了穿越施工的主要影響區(qū)域，地面沉降曲線(xiàn)規(guī)律是合理的，可以為計(jì)算分析提供參考。

對(duì)于穿越既有暗涵結(jié)構(gòu)施工而言，我們關(guān)心的是既有暗涵結(jié)構(gòu)的直接變形，因此變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)直接埋設(shè)在既有暗涵結(jié)構(gòu)上為宜。但是由于本工程兩條輸水暗涵分別在西四環(huán)內(nèi)環(huán)、外環(huán)主路下方，與四環(huán)路平行，受現(xiàn)場(chǎng)條件所限，人員設(shè)備無(wú)法進(jìn)入四環(huán)主路監(jiān)測(cè)，所以施工采用遠(yuǎn)距離非接觸的觀測(cè)方法對(duì)南水北調(diào)暗涵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由此得出的監(jiān)測(cè)結(jié)果并不能直接反映暗涵結(jié)構(gòu)的直接變形，只能通過(guò)數(shù)值模擬反分析的手段來(lái)間接分析暗涵結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力，進(jìn)而分析穿越施工對(duì)既有暗涵的影響。

3 有限元數(shù)值模擬分析

本工程地鐵隧道已經(jīng)完成下穿輸水暗涵的施工，且區(qū)間二襯已全部施作完畢?？紤]到地鐵隧道施工及運(yùn)行可能對(duì)暗涵結(jié)構(gòu)及運(yùn)行安全產(chǎn)生影響，有必要根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析地鐵工程下穿施工對(duì)輸水暗涵的影響，對(duì)穿越施工進(jìn)行后評(píng)價(jià)，以保證新建工程與既有工程的安全。

3.1 計(jì)算假定及荷載工況

有限元計(jì)算是基于土體為均質(zhì)密實(shí)的假定基礎(chǔ)上進(jìn)行的，不考慮地層土體或注漿區(qū)存在缺陷、空洞等情況。

地鐵隧道下穿輸水暗涵影響分析主要分為施工期和運(yùn)行期兩種工況，施工期影響分析主要考慮地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)暗涵的影響，運(yùn)行期影響分析主要考慮地鐵通車(chē)后列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)暗涵的影響。

3.2 計(jì)算模型

1.模型假定

本文中地鐵隧道下穿暗涵施工屬于三維交叉問(wèn)題，計(jì)算模型的設(shè)定滿(mǎn)足以下條件：

（1）模擬穿越區(qū)域地層情況；

（2）詳細(xì)模擬暗涵、地鐵隧道等主要建筑物；

（3）模型大小滿(mǎn)足計(jì)算精度要求；

（4）有限元軟件中主要通過(guò)應(yīng)力釋放率模擬地鐵隧道淺埋暗挖施工應(yīng)力釋放過(guò)程，此參數(shù)對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果有著重要影響，是本次反演分析的主要目標(biāo)參數(shù)。

2.模型建立

本文分析采用三維有限元計(jì)算模型，應(yīng)用非線(xiàn)性有限元分析通用軟件ABAQUS，進(jìn)行地鐵隧道工程下穿輸水暗涵的影響分析研究。計(jì)算建立三維有限元模型，見(jiàn)圖6及圖7。采用實(shí)體單元模擬地鐵隧道、輸水暗涵及周?chē)馏w，模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)157165個(gè)，單元總數(shù)141712個(gè)。

邊界條件考慮如下：模型側(cè)面均采用水平法向位移約束，底部采用固定位移約束。

3.材料力學(xué)指標(biāo)

計(jì)算時(shí)所采用的材料力學(xué)指標(biāo)如表2所示。土體材料本構(gòu)模型采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。

圖6 三維有限元計(jì)算模型Fig.6 3D FEM model

圖7 有限元計(jì)算模型局部網(wǎng)格剖分Fig.7 Local mesh subdivision of FEM model

表2 材料參數(shù)Tab.2 Parameters of materials

3.3 結(jié)果分析

影響三維非線(xiàn)性有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的因素有很多，比如選用的土體本構(gòu)模型、材料力學(xué)參數(shù)、施工工序等，對(duì)此已有一些研究成果［11］，對(duì)于此類(lèi)參數(shù)本文主要結(jié)合以往研究成果、地質(zhì)提供參數(shù)、工程實(shí)際施工過(guò)程等進(jìn)行模擬取值，鑒于篇幅，不在文中做詳細(xì)論述。以下主要分析對(duì)地表沉降影響明顯的土體開(kāi)挖應(yīng)力釋放率，此參數(shù)與施工過(guò)程密切相關(guān)。

1.地鐵隧道施工期對(duì)暗涵影響分析

根據(jù)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隧道與暗涵交叉處地面實(shí)測(cè)沉降最大為4.98mm。暗涵軸線(xiàn)方向地面及涵頂沉降如圖8及圖9所示。

圖8 暗涵軸線(xiàn)方向地面沉降Fig.8 Ground vertical subsidence in axis direction of buried culvert

圖9 暗涵軸線(xiàn)方向涵頂沉降Fig.9 Top vertical subsidence in axis direction of buried culvert

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)力釋放率進(jìn)行反演分析計(jì)算，目標(biāo)是隧道與暗涵交叉處地面計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)值4.98mm相符。經(jīng)多次反演計(jì)算，本工程應(yīng)力釋放率取70%時(shí)，計(jì)算結(jié)果地表沉降等數(shù)值與實(shí)測(cè)值基本相符，以下計(jì)算結(jié)果均以此為基礎(chǔ)。

暗涵在初始場(chǎng)時(shí)最大拉應(yīng)力值及最大壓應(yīng)力值分別為1.4MPa及3.3MPa，沿軸線(xiàn)方向最大拉應(yīng)力為0.3MPa，軸線(xiàn)方向應(yīng)力值不大。地鐵下穿施工對(duì)西四環(huán)暗涵的影響主要是引起暗涵軸線(xiàn)方向的不均勻沉降，進(jìn)而引起暗涵的軸向附加應(yīng)力，而暗涵原設(shè)計(jì)軸線(xiàn)方向?yàn)榉侵饕芰Ψ较?，采用?gòu)造配筋。通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果可知，地鐵下穿施工對(duì)既有暗涵環(huán)向應(yīng)力影響很小，地鐵下穿前后暗涵環(huán)向最大拉應(yīng)力由1.8MPa減小為1.75MPa，減小幅度均未超過(guò)5%，基本可忽略其影響，以下著重對(duì)暗涵軸線(xiàn)方向應(yīng)力進(jìn)行分析。

暗涵在地鐵隧道開(kāi)挖與襯砌施工時(shí)最大沉降量為5.02mm，最大拉應(yīng)力值及最大壓應(yīng)力值分別為1.4MPa及3.6MPa。由于地鐵隧道開(kāi)挖引起暗涵與隧道交叉部位沉降，暗涵沿軸線(xiàn)方向產(chǎn)生了不均勻沉降，暗涵沿軸線(xiàn)方向最大拉應(yīng)力由0.3MPa增大到1.4MPa，未超過(guò)C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。暗涵最大拉應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 暗涵軸線(xiàn)方向應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud map in axis direction of buried culvert

2.地鐵隧道運(yùn)行期對(duì)暗涵影響分析

（1）地鐵列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)暗涵影響分析

對(duì)模型施加運(yùn)行期地鐵列車(chē)振動(dòng)荷載，應(yīng)用非線(xiàn)性有限元分析通用軟件ABAQUS進(jìn)行了運(yùn)行期暗涵影響分析。本分析的應(yīng)力、位移值為地鐵列車(chē)振動(dòng)荷載引起的附加值，見(jiàn)表3。

表3 地鐵列車(chē)振動(dòng)荷載引起的附加值Tab.3 The additional value of subway train vibration load

從計(jì)算結(jié)果可知，地鐵列車(chē)振動(dòng)的影響范圍主要位于地鐵隧道與暗涵交叉處附近，隧道與暗涵之間夾層土體灌漿與否，對(duì)暗涵的受力影響很小，但隧道與暗涵區(qū)間已灌漿時(shí)的最大總位移比隧道與暗涵區(qū)間未灌漿時(shí)略小，應(yīng)力比隧道與暗涵區(qū)間未灌漿時(shí)略大。由于列車(chē)振動(dòng)荷載較小，暗涵總體的位移、應(yīng)力值均很小，暗涵總位移值在隧道與暗涵之間土體已灌漿時(shí)為0.128mm，在隧道與暗涵之間土體未灌漿時(shí)為0.131mm；作用在暗涵襯砌混凝土上的最大拉應(yīng)力值在隧道與暗涵之間土體已灌漿時(shí)為25.3kPa，隧道與暗涵之間土體未灌漿時(shí)為24.8kPa；最大壓應(yīng)力值在隧道與暗涵區(qū)間已灌漿時(shí)為23.9kPa，隧道與暗涵區(qū)間未灌漿時(shí)為23.8kPa，隧道與暗涵之間土體灌漿與否對(duì)運(yùn)行期列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)暗涵的影響并不明顯。

以上的附加應(yīng)力值與混凝土強(qiáng)度相比均較小，因此，暗涵受到地鐵列車(chē)振動(dòng)的影響不大。

（2）隧道與暗涵區(qū)間灌漿的力學(xué)參數(shù)（彈性模量E）敏感性分析

力學(xué)參數(shù)敏感性分析主要考慮彈性模量E取值變化，結(jié)果如表4所示。

表4 地鐵列車(chē)振動(dòng)荷載作用下區(qū)間灌漿參數(shù)敏感性分析Tab.4 The sensitivity analysis of grouting parameters under subway train vibration load

從表4可見(jiàn)，暗涵的位移、壓應(yīng)力隨著彈性模量的增大而減小，但拉應(yīng)力隨著彈性模量的增大而增大。以上的附加應(yīng)力值與混凝土強(qiáng)度相比均較小，暗涵的受力狀態(tài)沒(méi)有大的變化，故隧道與暗涵區(qū)間灌漿的彈性模量對(duì)暗涵受力及變形影響很小。

3.4 有限元模擬分析結(jié)論

針對(duì)地鐵隧道工程與南水北調(diào)輸水暗涵交叉的狀況，考慮到地鐵施工及運(yùn)行可能對(duì)暗涵結(jié)構(gòu)及運(yùn)行安全產(chǎn)生影響，本文采用有限元方法進(jìn)行了地鐵隧道下穿暗涵的影響分析，經(jīng)過(guò)多工況的計(jì)算，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)多次反演計(jì)算，得到的地鐵隧道與暗涵交叉位置的地面沉降位移為5.02mm，與實(shí)際地面最大沉降量4.98mm基本相符，此時(shí)暗涵的頂面沉降量為4.68mm。

（2）地鐵隧道開(kāi)挖施工對(duì)暗涵的影響主要是增大了暗涵沿軸線(xiàn)方向最大拉應(yīng)力，開(kāi)挖施工后應(yīng)力未超過(guò)C30混凝土的抗拉強(qiáng)度，暗涵沿軸線(xiàn)方向的應(yīng)力處于結(jié)構(gòu)可以承受的安全范圍內(nèi)。

（3）運(yùn)行期地鐵列車(chē)振動(dòng)的影響范圍主要位于地鐵隧道與暗涵交叉處附近，列車(chē)振動(dòng)荷載較小，引起的地面沉降和暗涵襯砌應(yīng)力的附加值均較小。

（4）通過(guò)隧道與暗涵區(qū)間灌漿的力學(xué)參數(shù)（彈性模量E）敏感性分析可知，隧道與暗涵區(qū)間灌漿的彈性模量數(shù)值大小對(duì)暗涵受力及變形影響很小。

（5）列車(chē)振動(dòng)引起的附加應(yīng)力值及附加變形與混凝土強(qiáng)度相比均較小，但考慮到有限元計(jì)算是在土體密實(shí)均勻的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，實(shí)際上地鐵隧道施工過(guò)程可能對(duì)地鐵隧道與暗涵之間土體造成擾動(dòng)，土體存在的缺陷、孔洞等不易發(fā)現(xiàn)，因此建議對(duì)地鐵隧道與暗涵之間夾層土體進(jìn)行補(bǔ)注漿加固，以提高土體的密實(shí)度和均勻性，與計(jì)算假定更加相符。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)地鐵隧道近距離下穿既有輸水暗涵進(jìn)行后評(píng)價(jià)有限元反演分析計(jì)算，結(jié)合相關(guān)的設(shè)計(jì)資料、施工資料和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

1.對(duì)于難以直接測(cè)定變形及應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，可通過(guò)監(jiān)測(cè)地面沉降數(shù)據(jù)來(lái)間接分析結(jié)構(gòu)所處的變形及應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)安全性。通過(guò)對(duì)暗涵進(jìn)行極限應(yīng)力狀態(tài)分析還可以得出地表沉降的極限值。

2.通過(guò)參數(shù)反演分析，得到了與實(shí)際施工過(guò)程更加相符的應(yīng)力釋放率等參數(shù)，積累了有限元模型計(jì)算參數(shù)取值的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后類(lèi)似地層條件的工程施工數(shù)值仿真模擬分析具有指導(dǎo)意義。本文所述方法主要適用于后評(píng)估，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，實(shí)際穿越過(guò)程的監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的真實(shí)性、精確性、充分性均對(duì)推演結(jié)構(gòu)內(nèi)力有較大影響，故在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合其他方法綜合使用。

3.對(duì)于一個(gè)新建結(jié)構(gòu)，可以用本文所述方法推演出相對(duì)可信的結(jié)果，但對(duì)于使用年代較長(zhǎng)、外部荷載長(zhǎng)期作用、耐久性措施逐步退弱、混凝土徐變產(chǎn)生等情況來(lái)說(shuō)，該方法有一定的局限性，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步研究。

4.文中所述方法對(duì)有限元模型計(jì)算參數(shù)的選取及今后類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)工作具有借鑒意義，已經(jīng)在一些實(shí)際工程安全評(píng)價(jià)工作中得到了驗(yàn)證，期待今后在更多工程中得到應(yīng)用并不斷完善。