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摘要：北京地铁15号线奥林匹克公园站2号风道下穿地下商业街，为了解2号风道开挖对地下商业街结构内力及变形的影响，文章采用数值方法，计算分析了开挖过程中商业街结构内力及变形的变化情况。结果表明开挖过程中商业街结构刚度最小部位沉降值最大，结构沉降最大位置弯矩最大，结构沉降及弯矩大小与开挖面积正相关、与距开挖位置的水平距离反相关。文章的计算分析对该工程及以后类似工程有一定的参考价值。
关键词：风道开挖；地下商业街；数值分析
中图分类号：TV551 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）34-0109-04
1 概述
随着城市地下轨道交通的发展，新建地铁车站的选择日益受到可用地下空间等因素的限制。新建地铁车站的施工会对邻近既有结构产生影响，一旦结构内力及变形控制不好，就可能会导致既有结构无法正常运营或发生安全事故。因此，正确分析、预测并控制新建地铁施工对既有结构内力及变形的影响是确保安全施工的重要前提。
目前研究新建隧道对地表及既有结构影响的方法主要包括理论研究、模型试验、经验法以及数值分析。理论方法多将建筑物简化成梁或框架结构，然后根据经典力学理论对模型进行分析，因涉及较多、较特别的简化和假设，所得结果往往有较明显的局限性。模型试验是通过建立物理模型来模拟实际的地层环境及施工过程，此方法往往因为有限的相似性而难以用于推测实际情况，并且比较耗时费力。经验法主要是以现场量测数据及直观推理为基础得到经验公式，进而应用于特定的工程问题，在地层沉降的预测中应用最多的是Peck经验公式。与前几种方法相比较，数值分析无论是在操作性还是在经济性方面都比较强，因而是目前最常用的计算手段之一。
本文主要研究2号风道施工对临近地下商业街的影响，2号风道为北京地铁15号线奥林匹克公园站的附属结构，奥林匹克公园站位于奥运中心区，北京市中轴路西侧，车站东南侧为新奥地下商业街，本站需对新奥地下商业街进行改造以满足通风需要。
2 工程概况及施工方案
2.1 工程概况
如图1所示，2号风道分为3个部分，由2号风井北侧向北接通入车站主体的为新风道，由2号风井向东再向北接入车站主体的为活塞风道。风道所在位置为新奥地下商业街，其中2号风井穿越地下商业街顶底板直通地面，新风道、活塞风道从商业街底板以下暗挖穿过。
图1 2号风道与地下商业街的位置关系
2.2 施工方案
2号风道开挖工序为：竖井处商业街顶底板破除→竖井开挖→2号新风道开挖→横通道开挖→活塞风道开挖。
其中2号风井采用倒挂井壁施工，其余部分采用暗挖法分部开挖。
3 计算模型
对于钢筋混凝土结构，配筋的弹性模量按抗压强度等效原则考虑，计算公式为：
式中：
E—按抗压刚度等效原则折算后的等效混凝土弹模
E0—混凝土弹模
Eg—钢筋弹模
Sg—钢筋截面积
Sc—混凝土截面积
对于本计算分析内容而言，混凝土配筋对强度的影响不大，如不计配筋对结构弹性模量的影响，计算结果偏于安全。
单元类型的选择：地下商业街及竖井采用板单元进行离散，2号风道的其他结构及地层采用实体单元进行离散。
本构模型：土体采用弹塑性模型和摩尔-库伦准则，钢筋混凝土采用线弹性模型。
参数的选择：根据工程场区参数及工程地质剖面图，并参考北京地区的其他地质资料，对地层分布进行简化，确定数值计算模型中地层的厚度和物理力学参数。
三维数值计算模型如图2所示：
图2 计算模型
4 计算结果分析
对图3所示观察断面进行结构沉降及内力分析。
图3 数值分析断面
4.1 地下商业街结构沉降分析
图4为竖井及风道施工过程中对商业街影响的沉降云图，图5、图6分别为施工过程对商业街顶、底板的沉降影响曲线。表1为施工过程中各步开挖引起地下商业街结构最大沉降量及其占最终沉降量的百分比。
由图4、图5可以看出商业街结构顶、底板的沉降及沉降曲线并不相同，底板沉降一般大于顶板，最大沉降量均出现在竖井附近，并随横通道及活塞风道的开挖向开挖方向移动。由表1数据可得，商业街的最大沉降约为24.1mm，主要影响因素为竖井及横通道开挖，所引起沉降分别占最大沉降量的42.7%、33.3%。
通过以上分析可得以下结论：
（1）地下商业街顶、底板破除处刚度最小，开挖在此处引起的结构沉降最大；（2）竖井及横向通道位于地下商业街的正下方，其开挖对商业街结构沉降的影响最大；（3）2号新风道离地下商业街结构较远，开挖面积较小，其开挖对商业街结构的影响最小；（4）活塞风道离地下商业街结构较远，但开挖面积较大，所以其开挖对商业街结构的影响较2号新风道要大。
（a）商业街顶底板破除 （b） 竖井开挖完成
（c） 新风道施工完成 （d） 横通道施工完成
（e）活塞风道施工完成
图4 2号风道施工引起的结构沉降云图
图5 观察断面商业街结构顶板沉降曲线
图6 观察断面商业街结构底板沉降曲线
4.2 地下商业街结构内力分析
（a）商业街结构初始弯矩
（b）商业街顶底板破除
（c）竖井施工完成
（d）2号新风道施工完成
（e）横通道施工完成
（f）活塞风道施工完成
图7 观察断面商业街结构弯矩图
图7为不同施工阶段商业街结构观察断面弯矩图，表2为不同阶段结构的最大弯矩值及最大弯矩所在位置，设柱子编号从左到右依次为1～10。 由弯矩图可得，竖井及风道施工过程中商业街最大弯矩一般出现在竖井附近，并随横通道及活塞风道的开挖向开挖方向移动，开挖过程中地下商业街结构的最大弯矩为465kN·m/m。
通过以上分析可得以下结论：
（1）开挖过程中最大弯矩一般出现在结构沉降最大位置，即竖井附近；（2）商业街顶底板的破除及竖井开挖对结构弯矩影响最大，活塞风道对结构弯矩影响则相对
较小。
5 结语
本文以北京地铁新建奥林匹克公园站2号风道为背景，通过数值计算，分析了地下开挖对临近结构内力及变形的影响，计算分析表明：
（1）地下开挖对结构沉降的影响与结构本身的刚度有关，刚度最小位置沉降最大；（2）结构沉降量与地下开挖位置及开挖面积有关，开挖面积越大、开挖位置距离结构越近结构沉降值越大；（3）开挖产生的最大结构内力一般出现在结构最大沉降处；（4）开挖对结构内力的影响同样与地下开挖位置及开挖面积有关，开挖面积越大、开挖位置距离结构越近结构内力变化越大。
参考文献
[1] 项彦勇，冯山群.桩基对隧道开挖塑性区影响的一种
理论预测方法[J].土木工程学报，2012，12（45）：
162-169.
[2] Yanyong Xiang，Shanqun Feng.Theoretical prediction
of the potential plastic zone of shallow tunneling in
vicinity of pile foundation in soils[J]. Tunnelling and
Underground Space Technology，2013，38：115-121.
[3] 项彦勇，贺少辉，张弥，等.导洞隔离桩墙结构对浅
埋暗挖隧道周边地层移动的限制作用分析[J].岩石力
学与工程学报，2004，23（19）：3317-3323.
[4] 姜智平，项彦勇.地层环境变化对地铁结构设计的影
响分析[J].都市快轨交通（2004增刊）：46-52.
[5] Peck R.B.Deep excavations and tunneling in soft
ground[J].Proc 7th Int.conf.on Soil Mech.and
Found.Eng.，Mexico City，1969：225-290.
[6] 向晓辉，王俐，李春光.复杂地质条件下水底矿山
法隧道的围岩位移分析[J].铁道工程学报，2011，
（2）：103-108.
[7] 徐礼华，艾心荧，余佳力，等.厦门机场路隧道施工
对砌体结构建筑物的影响分析[J].岩石力学与工程学
报，2010，29（3）：583-592.
[8] 李博，苏华友，赵旭伟.成都地铁盾构隧道地表沉降
分析[J].城市轨道交通研究，2010，13（4）：
64-66.
[9] 朱逢斌，杨平，林水仙.盾构隧道开挖对邻近桩基影
响研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（2）：
369-374.
[10] 贾晓云，林宝龙.隧道开挖引起的路面沉降预测及
数值分析[J].路基工程，2010，（3）：108-110.
作者简介：冯山群（1986—），男，河北保定人，铁道第三勘察设计院集团有限公司助理工程师，硕士，研究方向：隧道及地下工程。
关键词：风道开挖；地下商业街；数值分析
中图分类号：TV551 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）34-0109-04
1 概述
随着城市地下轨道交通的发展，新建地铁车站的选择日益受到可用地下空间等因素的限制。新建地铁车站的施工会对邻近既有结构产生影响，一旦结构内力及变形控制不好，就可能会导致既有结构无法正常运营或发生安全事故。因此，正确分析、预测并控制新建地铁施工对既有结构内力及变形的影响是确保安全施工的重要前提。
目前研究新建隧道对地表及既有结构影响的方法主要包括理论研究、模型试验、经验法以及数值分析。理论方法多将建筑物简化成梁或框架结构，然后根据经典力学理论对模型进行分析，因涉及较多、较特别的简化和假设，所得结果往往有较明显的局限性。模型试验是通过建立物理模型来模拟实际的地层环境及施工过程，此方法往往因为有限的相似性而难以用于推测实际情况，并且比较耗时费力。经验法主要是以现场量测数据及直观推理为基础得到经验公式，进而应用于特定的工程问题，在地层沉降的预测中应用最多的是Peck经验公式。与前几种方法相比较，数值分析无论是在操作性还是在经济性方面都比较强，因而是目前最常用的计算手段之一。
本文主要研究2号风道施工对临近地下商业街的影响，2号风道为北京地铁15号线奥林匹克公园站的附属结构，奥林匹克公园站位于奥运中心区，北京市中轴路西侧，车站东南侧为新奥地下商业街，本站需对新奥地下商业街进行改造以满足通风需要。
2 工程概况及施工方案
2.1 工程概况
如图1所示，2号风道分为3个部分，由2号风井北侧向北接通入车站主体的为新风道，由2号风井向东再向北接入车站主体的为活塞风道。风道所在位置为新奥地下商业街，其中2号风井穿越地下商业街顶底板直通地面，新风道、活塞风道从商业街底板以下暗挖穿过。
图1 2号风道与地下商业街的位置关系
2.2 施工方案
2号风道开挖工序为：竖井处商业街顶底板破除→竖井开挖→2号新风道开挖→横通道开挖→活塞风道开挖。
其中2号风井采用倒挂井壁施工，其余部分采用暗挖法分部开挖。
3 计算模型
对于钢筋混凝土结构，配筋的弹性模量按抗压强度等效原则考虑，计算公式为：
式中：
E—按抗压刚度等效原则折算后的等效混凝土弹模
E0—混凝土弹模
Eg—钢筋弹模
Sg—钢筋截面积
Sc—混凝土截面积
对于本计算分析内容而言，混凝土配筋对强度的影响不大，如不计配筋对结构弹性模量的影响，计算结果偏于安全。
单元类型的选择：地下商业街及竖井采用板单元进行离散，2号风道的其他结构及地层采用实体单元进行离散。
本构模型：土体采用弹塑性模型和摩尔-库伦准则，钢筋混凝土采用线弹性模型。
参数的选择：根据工程场区参数及工程地质剖面图，并参考北京地区的其他地质资料，对地层分布进行简化，确定数值计算模型中地层的厚度和物理力学参数。
三维数值计算模型如图2所示：
图2 计算模型
4 计算结果分析
对图3所示观察断面进行结构沉降及内力分析。
图3 数值分析断面
4.1 地下商业街结构沉降分析
图4为竖井及风道施工过程中对商业街影响的沉降云图，图5、图6分别为施工过程对商业街顶、底板的沉降影响曲线。表1为施工过程中各步开挖引起地下商业街结构最大沉降量及其占最终沉降量的百分比。
由图4、图5可以看出商业街结构顶、底板的沉降及沉降曲线并不相同，底板沉降一般大于顶板，最大沉降量均出现在竖井附近，并随横通道及活塞风道的开挖向开挖方向移动。由表1数据可得，商业街的最大沉降约为24.1mm，主要影响因素为竖井及横通道开挖，所引起沉降分别占最大沉降量的42.7%、33.3%。
通过以上分析可得以下结论：
（1）地下商业街顶、底板破除处刚度最小，开挖在此处引起的结构沉降最大；（2）竖井及横向通道位于地下商业街的正下方，其开挖对商业街结构沉降的影响最大；（3）2号新风道离地下商业街结构较远，开挖面积较小，其开挖对商业街结构的影响最小；（4）活塞风道离地下商业街结构较远，但开挖面积较大，所以其开挖对商业街结构的影响较2号新风道要大。
（a）商业街顶底板破除 （b） 竖井开挖完成
（c） 新风道施工完成 （d） 横通道施工完成
（e）活塞风道施工完成
图4 2号风道施工引起的结构沉降云图
图5 观察断面商业街结构顶板沉降曲线
图6 观察断面商业街结构底板沉降曲线
4.2 地下商业街结构内力分析
（a）商业街结构初始弯矩
（b）商业街顶底板破除
（c）竖井施工完成
（d）2号新风道施工完成
（e）横通道施工完成
（f）活塞风道施工完成
图7 观察断面商业街结构弯矩图
图7为不同施工阶段商业街结构观察断面弯矩图，表2为不同阶段结构的最大弯矩值及最大弯矩所在位置，设柱子编号从左到右依次为1～10。 由弯矩图可得，竖井及风道施工过程中商业街最大弯矩一般出现在竖井附近，并随横通道及活塞风道的开挖向开挖方向移动，开挖过程中地下商业街结构的最大弯矩为465kN·m/m。
通过以上分析可得以下结论：
（1）开挖过程中最大弯矩一般出现在结构沉降最大位置，即竖井附近；（2）商业街顶底板的破除及竖井开挖对结构弯矩影响最大，活塞风道对结构弯矩影响则相对
较小。
5 结语
本文以北京地铁新建奥林匹克公园站2号风道为背景，通过数值计算，分析了地下开挖对临近结构内力及变形的影响，计算分析表明：
（1）地下开挖对结构沉降的影响与结构本身的刚度有关，刚度最小位置沉降最大；（2）结构沉降量与地下开挖位置及开挖面积有关，开挖面积越大、开挖位置距离结构越近结构沉降值越大；（3）开挖产生的最大结构内力一般出现在结构最大沉降处；（4）开挖对结构内力的影响同样与地下开挖位置及开挖面积有关，开挖面积越大、开挖位置距离结构越近结构内力变化越大。
参考文献
[1] 项彦勇，冯山群.桩基对隧道开挖塑性区影响的一种
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[4] 姜智平，项彦勇.地层环境变化对地铁结构设计的影
响分析[J].都市快轨交通（2004增刊）：46-52.
[5] Peck R.B.Deep excavations and tunneling in soft
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Found.Eng.，Mexico City，1969：225-290.
[6] 向晓辉，王俐，李春光.复杂地质条件下水底矿山
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（2）：103-108.
[7] 徐礼华，艾心荧，余佳力，等.厦门机场路隧道施工
对砌体结构建筑物的影响分析[J].岩石力学与工程学
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[8] 李博，苏华友，赵旭伟.成都地铁盾构隧道地表沉降
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[9] 朱逢斌，杨平，林水仙.盾构隧道开挖对邻近桩基影
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369-374.
[10] 贾晓云，林宝龙.隧道开挖引起的路面沉降预测及
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作者简介：冯山群（1986—），男，河北保定人，铁道第三勘察设计院集团有限公司助理工程师，硕士，研究方向：隧道及地下工程。