摘  要：根据北京市蒲黄榆路天然气管线与地铁 5 号线刘家窑车站的位置关系及相关特征，建立了天然气管线、地铁车站及周围土体三者相互作用的一体化三维模型。通过对施工过程的仿真模拟计算，得到了不同施工阶段对车站通风道结构、车站出入口结构、车站主体结构及车站轨道区结构的影响。根据仿真结果确定第三方监测的测点布置及施工过程中的控制值，并通过监测数据验证仿真结果的正确性。

关键词：城市轨道交通；天然气管线；穿越地铁车站；施工仿真；安全评估

 

      发展大运量、服务于广大群众的城市轨道交通，有利于节约土地，节省能源，解决交通拥堵，提高人民生活水平，促进城市可持续发展^[1]。同时，在城市化建设进程中，如燃气管线、热力管线等其他相关市政基础设施也在不断建设完善，以满足人民相关生活水平的需要。所以，在地铁车站附近进行其他市政基础设施建设的施工在所难免，施工过程对地铁车站及行车的影响必然存在。地铁运营部门要求施工过程中对行车安全影响最小。然而施工过程存在着非可逆性，所以必须对施工过程中对车站等结构造成的影响进行预估，对施工措施进行理论分析，确保安全^[2]。

      本文以计算机仿真技术为手段，通过对施工过程进行详细模拟，得到不同施工阶段时，车站通风道结构、车站出入口结构、车站主体结构、车站轨道区结构的变形情况。并以此提出施工时各结构的预警值与警戒值及第三方监测的测点布置位置建议。

 

      北京地铁 5 号线刘家窑车站位于南三环中路和南三环东路之间，车站全长 199.10m，底板高程约为 23.5m，站厅层采用分离式结构，车站乘南北走向。

      拟建的蒲黄榆路天然气管线由南向北，从上部穿过地铁 5 号线刘家窑站西南通风道和西南出入口通道。天然气管线位于蒲黄榆路西侧辅路呈南北走向，大约与地铁正线平行，穿越段采用明挖法施工，具体位置如图 1 所示。燃气管道穿越地铁车站通风道和出入口通道后，在 T1～T2点横穿南三环路，于设计终点 T2 竖井处与现状 DN600 次高压 A 天然气管线相接。此段采用浅埋暗挖隧道方式施工，长度为 99 米。

      暗挖段地下管线较复杂，除了与 5 号线刘家窑车站西南通风道及西南出入口通道相交外，沿线有多条市政雨水、污水、电信、燃气等管线与隧道交叉。沿线地形平坦，地势相对高差不大。根据施工场地钻探岩土工程勘察报告可知，表面为人工堆积土、回填杂土、素填土，其下为粘质粉土、砂质粉土、粉质粘土，中间夹粉砂及重粉质粘土层等。

      根据《穿越既有交通基础设施工程技术要求》(DB 11/T716-2010)^[3]中“3.0.2 穿越工程影响范围的划分一般为：既有交通设施外 0m～30m 为严格监控区；30m～50m 为一般监控区(其中 30m、50m 均为既有交通基础设施距穿越工程施工边线平面位置最近点的距离)。”以及《城市轨道交通运营管理办法》(建设部令第 140 号)^[4]中“第二十条 城市轨道交通应当在以下范围设置控制保护区：(1)地下车站与隧道周边外侧五十米内；(2)地面和高架车站以及线路轨道外边线外侧三十米内；(3)出入口、通风亭、变电站等建筑物、构筑物外边线外侧十米内”的规定。

      本文安全性评估的范围区域如图 1 所示。由于 T2 竖井距离西北出入口通道及车站主体距离较远，落在严格监控区以外，且考虑到 T2 竖井与 T1 竖井所处地质条件及施工方法类似，故本文仅对 T1 竖井进行评估，其所得评估结论T2 竖井可参照执行。

 

      地下结构仿真计算时，采用如下假设：

      (1) 地表面和各土层均呈匀质水平层状分布。

      (2) 土体进入塑性状态的判别准则采用 Drucker-Prager屈服准则^[6]。

      (3) 初始应力计算只考虑土体自重应力，忽略土体构造应力。

      (4) 对受施工扰动影响范围内的土体参数，采用岩土工程勘察报告实测值。

      (5) 假定刘家窑车站结构材料强度达到设计强度，且由于刘家窑车站建成使用时间较短，故不对材料参数进行折减。

      (6) 假定车站结构为弹塑性材料，竖井、隧道、沟槽、车站及各土层之间符合变形协调原则。

      根据岩土工程勘察报告可知：

      (1) 勘察 20.0m 深度范围内未见地下水。根据北京市区丰水期潜水水位线及埋藏深度图，该区 1959 年地下潜水埋深接近地表，近 3~5 年地下潜水位埋深大于 20.0m。故根据历史水位、水环境演化趋势以及场地地下水位现状情况，结合本工程实例特点，按照没有水位影响考虑。地勘报告给出的围岩土体参数如表 1 所示。

      (2) 拟施工区域位于永定河冲洪积扇中下部。拟建管线沿地势高差变化不大，钻孔孔口处标高在 39.31~39.57m 之间。

      (3) 表层为厚度 0.60m~1.40m 的人工堆积层，主要为粘质粉土填土，局部为房渣土。人工堆积层以下为一般第四纪沉积层的砂质粉土及粘质粉土、粉质粘土、细砂及粉砂。

      数值模拟采用有限元方法进行计算分析，计算模型的边界条件严格按照隧道力学分析要求。模拟计算采用弹塑性有限元的地层与结构共同作用三维模型。模型尺寸为整个影响范围。边界条件的选取是除了地表面取为自由边界，其他 5 个面均采取法向约束。实体模型见图 2～图 4 所示。

      在实际工程中，开挖施工是土体在自重和地面超载作用下的固结沉降已经完成后进行的，因此在仿真计算中，构建初始自重应力场的目的是为了模拟在自重作用下固结沉降已经完成的原状土，作为后续开挖步的初始状态。初始重力场计算结果如图 5 所示。以此状态作为工程开挖施工的初始状态。

      竖井开挖过程中，各结构变形情况如表 2 所示。由表 2 可知，周围土体最大竖向变形为 32.7mm，并且该最大变形位于开挖竖井附近。车站主体结构的最大竖向变形为 0.34mm；通风道结构的最大竖向变形为 0.45mm；出入口结构的最大竖向变形为 1.0mm；轨道区最大变形为0.11mm。各部分最大变形均为上浮变形，且位于距离开挖竖井较近的结构部分上浮值最大。

      可见，开挖竖井对出入口通道的影响最大；对通风道结构的影响次之；对车站主体结构的影响最小。

      隧道开挖过程中，各结构变形情况如表 3 所示。

      由表 3 可知，周围土体最大竖向变形为 34.3mm，并且该最大变形位于开挖隧道附近。车站主体结构的最大竖向变形为 0.32mm；通风道结构的最大竖向变形为 0.45mm；出入口结构的最大竖向变形为 0.9mm；轨道区最大变形为0.08mm。各部分最大变形均为上浮变形，且位于距离开挖隧道较近的结构部分上浮值最大。

      可见，开挖隧道对出入口通道的影响最大；对通风道结构的影响次之；对车站主体结构的影响最小。由于隧道开挖，使得各结构的上浮值与开挖竖井时相比略有减小。

      沟槽开挖过程中，各结构变形情况如表 4 所示。

      由表 4 可知，周围土体最大竖向变形为 34.5mm，并且该最大变形位于开挖沟槽附近。车站主体结构的最大竖向变形为 1.8mm；通风道结构的最大竖向变形为 2.1mm；出入口结构的最大竖向变形为 2.2mm；轨道区最大变形为0.32mm。最大变形均为上浮变形，且位于距离开挖沟槽较近的结构部分上浮值最大。

      可见，开挖沟槽对出入口通道的影响最大；对通风道结构的影响次之；开对车站主体结构的影响最小。该施工阶段与前两个施工阶段相比，各结构的变形值均变大。

 

      施工过程中，对车站主体结构、通风道结构、出入口结构及轨道区进行施工监测，如图 6 为其测点布置示意图。由于开挖竖井及沟槽等均为卸载土压力，结构上表面的变形值大于结构下表面，故监测车站主体结构的测点、监测通风道结构的测点及监测出入口结构的测点分别布置于相应结构的上表面。

      根据施工监测结果与仿真结果对比分析，如图 7-图 9所示。

      由现场监测分析与仿真分析对比可知，仿真结果较为真实可靠。用仿真手段对施工过程进行研究是较为合理的手段之一。

 

      通过上述分析可得出如下结论与建议：

      (1) 施工过程中，车站主体上边缘最大上浮值为1.8mm，轨道区最大上浮值为 0.32mm。车站主体最大变形部位为通风道附近，与车站轨道区正线尚有一定距离，安全系数较大。

      (2) 施工过程中，通风道结构最大上浮值为 2.1mm。由于开挖沟槽时上穿通风道，且两者之间覆土较薄，距离较近。故在施工过程中，需对通风道结构进行第三方监测。

      (3) 施工过程中，出入口通道结构最大上浮值为2.2mm。由于开挖竖井时距离出入口通道较近，且开挖沟槽时上穿出入口通道。故在施工过程中，需对出入口通道结构进行第三方监测。

      (4) 建议预警值取为：车站结构 1.2mm；轨道区 0.6mm。警戒值取为：1.6mm；轨道区 0.8mm。控制值取为：车站结构 2.0mm；轨道区 1.0mm。在开挖沟槽时，应分段施工，并且及时回填。

      (5) 当变形值达到预警值时，应发出预警并加强监测；采取相应技术措施之后，未能有效控制变形发展而达到警戒值时，必须立即停工，进一步采取措施控制变形发展，当变形稳定后，方可继续施工。

 

[1] 邵华, 张子新. 盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析[J]. 岩土力学, 2004, 25(2): 545-549.

[2] 张志勇. 盾构施工对周围环境影响研究综述[J]. 现代隧道技术,2002, 39(2): 7-11.

[3] DB 11/T 716-2010. 穿越既有交通基础设施工程技术要求[S].

[4] 建设部令第 140 号. 城市轨道交通运营管理办法[S].

[5] 李志业, 曾艳华. 地下结构设计原理与方法[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2005.

[6] 刘金龙, 栾茂田, 许成顺, 等. Drucker-Prager 准则参数特性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(2): 4009-4015.