新建风道竖井对既有隧道结构安全影响评估分析研究

新建风道竖井对既有隧道结构安全影响评估分析研究

王地金1、宋朝治2

（重庆交通大学 交通运输学院 重庆  400074）

摘要：随着城市交通的快速发展，轨道交通建设工程在如火如荼地进行中。其中轨道建设工程涉及的新建风道竖井在实际施工过程中不可避免地会出现对既有建筑结构造成安全影响的情况。具体如何较为准确地评估其对既有建筑结构的影响程度、既有建筑是否因此会有潜在的安全性问题等情况，这对于确保既有建筑物的结构安全以及保障轨道风道竖井建设工程顺利建设来说至关重要。以重庆市轨道交通18号线北延工程小什字站2号风道工程建设为依托背景，工程建设对周边建筑的影响根据项目特点研究评估分析对既有朝天门隧道的结构安全影响，选择运用岩土通用有限元程序MIDAS/GTS分析法，通过建立岩土二维地层结构有限元模型，对新建风道竖井施工时可能影响到朝天门隧道结构的最不利断面情况进行了隧道的结构位移与岩土应力变形计算及评估分析，研究评估了新建小什字2号风道竖井施工实施对朝天门隧道的结构安全性影响情况，提出相关要求及建议，为后续工程的安全建设提供指导。

关键词：轨道交通；风道竖井施工；结构安全影响评估；二维有限元法；MIDAS/GTS

1 工程概述

重庆第四轮轨道交通建设正在如火如荼进行中，小什字2号风道位于车站小里程东侧，风道包括风道隧道、竖井及风亭地面亭三部分。其中小什字站2号风道竖井的设置会对既有建筑物产生一定影响，为保证周围既有建筑物的结构安全、保障盾构机的正常吊进与吊出，根据重庆市城市管理局关于市政设施管理的相关法规，现需对2号风道竖井施工对既有建筑物产生的结构安全性影响进一步深入开展评估工作。由拟建2号风道竖井与周边建筑物之间的空间位置关系可知，工程在评估施工设施自身安全性的同时，主要是还需对施工可能造成受影响的朝天门隧道结构安全性展开分析。

2 有限元数值分析

为评估新建风道竖井工程对隧道结构安全影响需进行相应的数值分析。其中相对于复杂周边环境条件下的地铁隧道工程，MIDAS_GTS_NX有限元软件模拟分析可考虑多项目施工的相互影响，模拟过程能够更加贴近工程的实际情况，而且针对岩土分析的不同需求，MIDAS/GTS还提供了多样化分析内容[1-3]。

其中在本计算模型中将岩土视为各向同性的理想弹性－塑性材料，并采用摩尔～库伦屈服准则[4]。材料模型可用于模拟岩土等粒状材料，其材料参数主要包括材料的黏聚力с和内摩擦角ф等参数。计算采用的岩土力学参数参照勘察建议值及行业规范后进行选取。

2.1 风险点有限元建模

在实际工程建设中，小什字2号风道三组成部分（风道隧道、竖井及风亭地面亭）均为危险性较大的工程。其中2号风道竖井工程施工涉及的有影响的建筑结构主要是朝天门隧道。由于2号风道竖井采用倒挂井壁法施工，开挖长度15m，宽8.1m，开挖面积为121.5m2，开挖深度为61.063m，侧穿朝天门隧道，隧道路面标高为203.46m，与风道竖井水平距离约为46m，因此在开挖过程中易导致既有朝天门隧道结构失稳，可能会对朝天门隧道带来不利影响，影响其结构安全，是需要重点关注的风险点。由于新建工程邻近既有隧道施工可能会引起既有隧道结构的较大变形[5]，因此本次计算选取最不利断面见图1，通过建立有限元模型，运用MIDAS/GTS有限元分析软件进行仿真，数值模拟重庆轨道18号线北延工程小什字站2号风道竖井工程施工过程，通过进一步计算分析工程建设对既有朝天门隧道的安全影响。

根据拟建2号风道竖井与朝天门隧道的空间位置关系，进一步建立空间几何模型，根据实际地质情况对几何模型进行有限元网格划分、并赋予力学参数建立包括轨道交通18号线北延工程小什字站2号风道竖井的岩土有限元模型见图2。其中在实际模拟中岩土结构以实体单元模拟并赋予相应的力学参数，竖井支护结构采用梁单元模拟、施工开挖利用单元的激活和钝化模拟，网格划分遵循受力关键部位网格较密、非关键部分逐渐稀疏的原则。新建竖井结构施工模拟以单元的激活和钝化来模拟完成。工况模拟过程内容包括三个方面：工况1初始状态下地层应力场计算；工况2风道竖井支开挖；工况3风道竖井支护。

图1拟建2号风道竖井与朝天门隧道最不利断面位置关系（单位：mm）

图2  有限元模型示意图

2.2 风险点位移变形及受力分析

利用MIDAS/GTS NX软件计算，通过进一步研究对象的变形及应力情况，根据工况模拟过程对重庆轨道交通18号线北延工程小什字站2号风道竖井施工影响下既有朝天门隧道变形及受力进行分析，通过提取地层初始应力场云图分析得知地层初始应力场云图中的应力等值线分布均匀，符合地层应力分布特性，可以进一步进行风险点位移变形及受力分析。

2.2.1 风险点位移变形分析

风险点位移变形分析上，对重庆轨道交通18号线北延工程小什字站2号风道竖井施工的数值模拟计算，并提取竖井施工后岩土结构的水平以及竖直位移云图后，通过进一步对模型水平及竖直位移云图分析得知：18号线北延工程小什字站2号风道竖井施工，引起朝天门隧道产生变形，在风道竖井施工后既有朝天门隧道水平位移最大值为0.0005mm，竖向位移最大值为0.4084mm。竖井周边岩土水平位移最大为15.8475mm；竖向位移最大为33.0570mm，位移变形较小，竖井处于稳定状态。

2.2.2 岩土应力分析

通过提取模型岩土结构的应力云图后，进行竖井施工前岩土前后第一主应力、第三主应力的应力云图前后对比分析。从风道竖井施工模拟计算结果提取岩土结构受力进行分析可以得知，风道竖井施工对既有朝天门隧道周边地层应力改变较小，朝天门隧道结构受影响较小。

3 评估结果

通过上述有限元仿真，数值模拟重庆轨道交通18号线北延工程小什字站2号风道竖井工程施工过程，经综合分析计算得知，风道竖井施工引起邻近朝天门隧道的位移较小，对既有朝天门隧道周边地层应力改变也较小，在可接受范围之内，不会影响到建筑物的安全和正常使用，因此小什字站2号风道竖井施工可以实施。

4 结论

本文研究采用岩土通用有限元程序分析法，建立了岩土地层结构的有限元模型，通过对小什字站2号风道竖井结构施工中对既有朝天门隧道结构变形以及周边地层的应力影响进行计算和分析，从而探讨了因风道竖井工程施工过程可能引起的影响情况。通过对具体工程施工是否影响到隧道结构的安全性情况进行评估分析，可为今后类似的工程项目和研究分析等提供参考依据。

参考文献

[1]张彦辉,明华军.基于Midas/GTS的公路隧道爆破施工对地表高层建筑影响的研究[J].公路工程,2019,44(06):171-176.

[2]孔令华,胡军然,牛文宣,等.邻近老旧房屋狭长深基坑开挖施工数值模拟及周边环境影响性分析[J].建筑结构,2021,51(S1):1945-1951.

[3]刘永,张国和,杨建华,等.基于Midas GTS/NX的滑坡稳定性分析及治理方案可行性研究[J].科学技术创新,2023(23):133-136.

[4]池恒天,吴振宇,刘小志.基于Midas GTS NX土的三种本构模型工程应用实例[J].岩土工程技术,2020,34(03):143-149.

[5]刘斌.新建隧道开挖对既有偏压隧道的影响研究[J].西部交通科技,2023(12):155-158.