地铁暗挖区间下穿及侧穿市府下穿路有限元分析

地铁暗挖区间下穿及侧穿市府下穿路有限元分析

崔阳刘帆

北京城建设计发展集团股份有限公司辽宁110042

摘要：随着城市交通的日常拥挤，城市轨道交通及市政道路正发挥着自己的重要作用，工程设计作为地铁及市政工程施工的重要环节，需要进行完善合理的设计。

关键词：地铁；暗挖；下穿路

1工程概况

本工程包括市府大路下穿市府广场通道工程及北三经街站至市府广场站区间。

本下穿路线路处在城市主干路－市府大路下方，道路两侧有较多重要性建（构）筑物，且同时下穿多个十字路口，道路施工对周边环境影响较大，基于本工程特点及目前设计，本工程不宜采用单一工法。因此，本工程采用U形槽明挖、箱形断面明挖、CRD双连拱暗挖相结合的施工工法，具体方案如下：如下图所示：里程K0+347.0-K1+140.0采用明挖法施工；里程K1+140.0-K1+385.9采用暗挖法施工。

图11市府下穿路明挖+暗挖方案平面示意图

北三经街站～市府广场站区间自线路起点起，沿市府大路布置，区间全长424.63双线米。区间正线线间距14～17m，线路坡度呈“一”字型。区间正线隧道为单洞单线马蹄形断面，隧道结构底最大埋深26.5m。

根据工筹安排，市府下穿路需要先期施工，之后施工北三经街站～市府广场站区间，也就是地铁区间下穿及侧穿市府下穿路。根据平面和空间关系，两结构水平距离水平距离为0时，竖向距离约2.19m；两结构竖向距离水平距离为0时，水平距离约4.37m。

图1-6市府下穿路与地铁区间平面关系图

2工程地质和水文地质

2.1工程地质

各层土自上而下依次为：

杂填土(①)(Q4ml)：杂色，主要由碎石类土、砂类土、粘性土及建筑垃圾等组成，稍湿。该层普遍分布，层厚0.50～3.60m；层底标高42.14～46.11m，层底埋深0.50～3.60m。

中、粗砂(③-3)：黄褐色，石英～长石质，级配不良，含5～15％的砾石，偶见卵石，含云母碎屑及少量粘性土，湿～很湿，局部呈饱和状态，稍松～中密状态。该层分布较连续，只有右线ZX-0225、左线ZX-0219～ZX-0221、ZX0231,～ZX0232,未揭露：层厚0.60～5.30m；层底标高40.06～43.64m，层底埋深2.20～5.70m。

砾砂(③-4)：黄褐色，石英～长石质，级配一般，砾石占25～50％，含8～33％的卵石，最大粒径约100mm，局部混有少量粘性土，该层多处见中、粗砂及圆砾薄层，局部见粉质粘土薄夹层，湿～饱和，中密～密实。该层分布连续：层厚5.00～22.20m，平均层厚16.62m；层底标高20.12～30.73m，层底埋深15.70～25.30m。

2.2水文地质

场区地下水有两层，④-1粉质粘土为隔水层，其上为潜水，下部为承压水。由于隔水层多处缺失，两层水互相连通，使承压水水头与潜水水位埋深基本相同。勘察期间承压水水头与地下水水位埋深为9.1～10.2m，标高36.04～37.04m，勘察期间属枯水期。地下水赋存于浑河高漫滩及古河道洪积形成的③-4砾砂和浑河新扇冲积形成的④-3中、粗砂、④-4层砾砂层中。地下水水位季节性变幅在0.50～2.00m。根据岩土工程勘察报告，抗浮设防水位埋深5.10m。

3计算内容及方法

3.1计算内容

（1）建立二维有限元计算模型，模拟新建工程的施工过程，包括市府下穿路以及地铁区间，提供临近结构的变形分析结果。

（2）根据计算结果，分析新建工程的施工过程对临近的安全性影响。

3.2计算方法

考虑到施工引起的既有结构的沉降与地层关系密切，因此采用地层—结构模型进行变形分析。

本次计算采用ANSYS软件，分别建立二维有限元模型，模拟地铁暗挖区间下穿市府下穿路明挖段及暗挖段施工。

3.3模型假定

（1）新建工程的施工过程期间，既有结构仅考虑正常使用工况，不考虑地震、人防工况；

（2）假定既有结构为线弹性材料；

（3）假定新建基坑、既有结构及土体之间符合变形协调原则；

（4）通过刚度等效的方法，将既有地铁结构和围护桩等效为一种同刚度材料；

4地铁暗挖区间下穿市府下穿路明挖区间模拟

4.1计算模型

考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取新建工程工程施工对既有结构的有效影响范围，取长100m、自地表45m土体作为考察范围，分析区间施工对市府下穿路结构产生的影响。计算模型不同的土层和结构采用不同的材料属性常数，模拟边界条件的选取时除了顶面取为自由边界，其他面均采取法向约束。

4.2计算结果与变形分析

新建地铁暗挖区间的施工对市府下穿路明挖结构产生一定程度的附加变形，本文通过数值模拟分析了解这种附加变形，分析既有结构的变形情况及规律，并提供既有结构的变形最大值。

依据上述模型的计算结果，新建区间施工完成后，市府下穿路明挖结构的最大竖向变形值为4.62mm，最大横向变形值为5.43mm。

5地铁暗挖区间下穿市府下穿路暗挖区间模拟

5.1计算结果与变形分析

新建市府下穿路暗挖隧道的施工对地面产生一定程度的附加变形，本文通过数值模拟分析了解这种附加变形，分析既有结构的变形情况及规律，并提供既有结构的变形最大值。新建隧道施工完成后，地表的最大竖向变形值为24.8mm。依据上述模型的计算结果，下穿工序之后，既有隧道结构的最大竖向变形值为5.66mm，下沉变形；最大横向变形值为2.05mm。

6结语

我国轨道交通及市政工程行业发展不断深入，计算方法和理论也在进一步完善，在今后的发展过程中，会有更科学更经济的设计方法出现，使工程的设计达到更加令人满意的程度。

参考文献:

［1］《沈阳市市府大路下穿市府广场通道及配套工程岩土工程勘察报告（初勘阶段）》

［2］《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）

［6］《地铁设计规范》（GB50157-2013）

［9］《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）