朱 敏
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)
摘 要：结合兰州市轨道交通1号线一期工程奥体中心站附属人防工程开发项目，采用Flac软件，对基坑施工步骤采用三维地层结构模型模拟，分析人防工程施工引起的既有隧道的变形及内力，评估隧道结构的安全性，为类似工程提供参考。
关键词：人防工程；既有隧道；施工安全；数值分析
1.1 轨道交通1 号线及奥体中心站概况
兰州轨道交通1 号线一期工程奥体中心站位于西固区规划深安大桥西侧，沿规划路东西走向布置。车站周边现状为农田、民房及少部分水塘，民房现已拆迁完毕。奥体中心站为明挖地下三层岛式站台车站，地下一层预留物业开发空间，地下二层为站厅层，地下三层为站台层；车站总长216.95 m，站台宽度13 m，标准段宽度20.2 m。
1.2 站点人防工程开发设计概况
奥体中心站人防工程拟开发范围为轨道交通奥体中心站地下一层及两端区间上方空间。开发范围西端为奥体中心站西端向西延伸209.6 m至车站西侧规划十字路口下，东端为奥体中心站东端向东延伸193 m至深安大桥桥头规划丁字路口下。人防工程平时开发为地下一层商业。开发总长度619.55 m，标准段结构外轮廓宽度50 m，总建筑面积约42 384.2 m2。
1.3 人防工程与区间隧道位置关系
根据工程整体设计规划，盾构区间隧道先期施工。后期开发的人防工程位于已建区间隧道上方，走向与区间隧道平行。沿着大里程方向隧道埋深逐渐增大，基坑底板与隧道拱顶净距也逐渐增大，其中YDK9+482m处净距最小为3.3 m，YDK10+100处净距为6.3 m。
基坑开挖宽度50 m，开挖深度7.3～7.7 m，采用放坡开挖，放坡系数1∶1，如图1所示。
图1 人防工程与隧道位置关系
1.4 工程地质和水文条件
本场地钻探深度内陆层为：地表为0.5～12.3 m人工填土；其下为第四系全新统厚度0.5～1.4 m的黄土；厚度0～11.8 m第四系全新统(Q4)卵石；厚度30～300 m第四系下更新统(Q1)卵石。各地层的物理力学参数见表1和表2。
场区地下水主要赋存于卵石层中，地下水类型属兰州断陷盆地松散岩类孔隙潜水。勘察期间地下水位埋深4.5～7.7 m，相应地下水位高程1 523.14～1 524.49 m。
依据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911—2013)[1]对既有隧道结构变形控制要求，结合其它类似工程经验、本工程实际特点和施工等综合影响因素，确定本工程变形控制标准如表3所示，并将控制值的80%作为报警值、70%作为预警值。
计算采用Flac软件，对基坑施工步骤采用三维地层结构模型模拟。分析人防工程基坑及结构施工引起的既有区间隧道的变形及内力，评估既有区间隧道的安全性。
表1 物理力学综合设计参数
土层天然密度/(g/cm3)干密度/(g/cm3)天然含水量w/%天然孔隙比变形模量/MPa渗透系数/(m/d)压缩模量E/MPa杂填土1.71530黄土状土1.671.43887中砂1.91.7551225卵石2.172.1130.282456250卵石2.282.1180.2885058
表2 抗剪强度指标建议值
岩土名称 直接剪切试验(快剪) 粘聚力c/kPa内摩擦角φ/°杂填土012.0黄土状土2024.0卵石036.0卵石1543.0
表3 上跨工程施工既有隧道结构变形控制基准
监测项目沉降/mm隆起/mm水平/mm变形速率/(mm/d)预警值7.03.53.51.0报警值8.04.04.01.0控制值10.05.05.01.0
3.1 计算假定
(1)基坑开挖施工期间，既有区间隧道仅考虑非抗震组合工况，不考虑地震作用。
(2)地铁隧道、基坑、土体之间符合变形协调原则。
(3)隧道结构、地层岩土体为均质各向同性材料，地质勘查报告给出物理力学参数准确可靠。
3.2 计算模型
以地铁区间隧道轴线方向为y轴，垂直隧道轴线为x轴，竖直方向为z轴，模型在y轴方向上长40 m，在x轴方向上长100 m，z轴方向上长40 m。根据区间隧道及人防工程的空间位置关系，建立三维计算模型，计算模型网格划分效果如图2和图3所示，模型共划分为369 852个单元，62 141个节点。
3.3 计算参数、计算荷载及本构模型
3.3.1 计算参数
计算模型中各土层的计算参数根据设计单位提供的文件选取，见表1和表2所示。地铁隧道盾构管片采用预制钢筋混凝土管片：强度等级C50，抗渗等级P12；管片厚度为350 mm，环宽1 200 mm。
3.3.2 计算荷载
计算荷载主要包括结构自重、土压力和施工机械荷载(按20 kPa考虑)[2]。
3.3.3 边界条件
模型底部施加竖向位移约束，模型四周约束为各面的法向位移约束，地表为自由面。
3.3.4 单元类型及破坏准则的选取
地层、围护结构及区间隧道管片均采用实体单元模拟。地层在开挖过程中考虑其塑性变形，采用Mohr-Coulomb准则，围护结构及区间隧道管片仅考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系。
3.4 计算工况
为了减小计算工作量，选取隧道埋深最浅、人防工程与隧道净距最小的50 m段(YDK9+482～YDK9+532)进行数值模拟。计算工况分为三工况：分别为工况1，基坑开挖前的初始工况；工况2，基坑开挖；工况3，结构施工与回填。
4.1 基坑开挖前的初始状态
初始工况受的荷载主要为地层及结构的自重荷载。通过对初始状态的模拟，得到地层和区间隧道结构的初始应力状态，其中既有隧道结构最大拉应力为0.47 MPa，最大压应力3.34 MPa，区间隧道结构受力良好，满足正常使用要求。
4.2 基坑开挖
通过本段基坑开挖施工的数值模拟，可得地层及隧道结构的应力状态和变形状态。如图4和表4所示，基坑开挖施工后，既有隧道隆起变形4.15 mm；隧道结构最大拉应力1.06 MPa，最大压应力2.54 MPa。结构变形满足变形控制基准，结构最大拉应力和最大压应力变化较大，但结构受力安全。
4.3 结构施工及回填
根据区段结构浇筑施工及回填施工的数值模拟，可得地层及隧道结构的应力状态和变形状态如图5、图6及表4所示，既有隧道隆起变形2.57 mm；隧道结构最大拉应力0.36 MPa，最大压应力2.57 MPa。结构变形满足变形控制基准，结构最大拉应力和最大压应力变化较大，但结构受力安全。
图2 整体模型 图3 区间隧道结构模型 图4 结构及地层竖直方向最大变形
表4 人防工程施工各工况区间隧道结构变形及受力统计
工况 隧道变形状态/mmx方向y方向z方向 隧道受力状态/MPa 最大拉应力最大压应力施工前0000.473.34基坑开挖1.190.194.151.062.54结构施工及回填1.000.082.570.362.57
图5 结构及回填施工区间隧道最大主应力 图6 结构及回填施工区间隧道最小主应力
(1)人防工程基坑开挖深度为7.3～7.7 m，基坑底板与区间隧道拱顶的净距为3.3 m时，人防工程施工引起的区间隧道结构竖向最大隆起变形为4.15 mm，最大横向水平变形为1.19 mm，最大纵向水平变形为0.19 mm，满足变形控制要求。
(2)人防工程施工引起的区间隧道结构最大拉应力为1.06 MPa，最大压应力为3.34 MPa。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[3]，C50混凝土的抗拉和抗压强度设计值分别为1.89 MPa和23.1 MPa，隧道结构受力满足混凝土强度要求。
参考文献
[1]中华人民共和国住房城乡建设部.GB50911—2013 城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013
[2]中华人民共和国住房城乡建设部.GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012
[3]中华人民共和国住房城乡建设部.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010
Zhu Min
( The Engineering Design and Consultation Group Co. Ltd.of the Railway Building Corporation of China,Beijing 100055,China )
Abstract: With the civic air defense project attached to the first-term project ——the Olympic Sports Center Station of the 1st Rail Transit Line of Lanzhou City——as a practical example,a 3-dimensional stratum structure model is adopted to simulate the construction steps of the foundation pit,with the possible civic-air-defense-project-caused deformation and internal forces of the existing tunnel analyzed,upon the basis of which the security of the existing tunnel structure is evaluated.The paper may serve as a useful reference for other similar projects.
Key words: air defense project;existing tunnels;construction security;numerical simulation analysis
收稿日期：2016-03-01
作者简介：朱 敏(1988—)，女，工程师，主要从事隧道与地下工程结构设计工作 zhuminhappyrose@126.com
DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.013
中图分类号：U452.2
文献标识码：A
文章编号：1672-3953(2016)03-0048-03
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