鄭宏利，牛豪爽

(1.中鐵十六局集團路橋工程有限公司， 北京 101500； 2.長安大學(xué)， 陜西 西安 710064)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模和人口也在日益擴大，軌道交通將由二維線狀向三維立體網(wǎng)狀發(fā)展，難免出現(xiàn)在既有車站附近新建構(gòu)建物基礎(chǔ)、地鐵等情況，這不僅使得既有車站穩(wěn)定性受到嚴重影響，同樣也會增加新建構(gòu)筑物的施工難度[1-4]。根據(jù)有關(guān)研究[5-7]，在 2050年北京市區(qū)軌道交通線路規(guī)劃圖中，節(jié)點車站和地鐵區(qū)間穿越段的數(shù)目高達118處。目前穿越工程施工過程相互影響的分析研究主要采用數(shù)值模擬技術(shù)，研究成果較多，但對于多種構(gòu)建筑物同時下穿車站這種耦合作用的相關(guān)研究較少，對車站結(jié)構(gòu)的位移和變形影響分析也相對較少。許斌峰等[8]采用MIDAS/GTS軟件建立工程結(jié)構(gòu)頂管施工全過程的數(shù)值模擬，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到矩形頂管施工對下穿電力隧道影響主要以豎向隆起為主，水平位移可以忽略。郭濤等[9]借助數(shù)值分析方法與現(xiàn)場自動監(jiān)測，對近距離下穿既有隧道的影響展開研究，對實際施工工況進行數(shù)值模擬，動態(tài)地分析了下穿過程對既有地鐵隧道的影響。許友俊等[10]運用有限元軟件對施工過程進行模擬。結(jié)合實測數(shù)據(jù)，分析了在既有車站底板下方布置四排預(yù)埋樁基與不布置預(yù)埋樁基兩種情況下盾構(gòu)施工對既有車站沉降變形的影響。朱正國[11]采用FLAC3D三維快速拉格朗日差分方法分析軟件對不同開挖工法及周圍地層不同加固范圍等施工方案進行了數(shù)值模擬，分析了既有車站軌道沉降、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及新建區(qū)間隧道周邊變形、結(jié)構(gòu)受力特點及規(guī)律。在下穿工程中，許多學(xué)者還進行了大量的研究[12-16]，同時為施工風(fēng)險控制提供了理論依據(jù)。

本文通過數(shù)值建模，模擬南大干線橋墩樁基、上部混凝土箱梁結(jié)構(gòu)施工、會江涌箱涵改造施工以及穗西電力隧道盾構(gòu)段施工等工況下對廣州地鐵二號線的影響，分析地鐵車站結(jié)構(gòu)的受力及變形狀態(tài)在各階段下的變化過程，進而評估南大干線項目的實施對地鐵二號線地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度，為后續(xù)施工提供理論依據(jù)，同時也為類似工況工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

廣州市南大干線西起番禺區(qū)石壁街鐘三路，路線自西向東經(jīng)大石街、南村鎮(zhèn)、新造鎮(zhèn)和化龍鎮(zhèn)，終點位于石樓鎮(zhèn)蓮花大道，路線全長約30.5 km。道路等級為城市快速路，規(guī)劃路基寬度為80 m，是聯(lián)系廣州南站一番禺新城及大學(xué)城組團的交通干線，未來西延佛山，往東通過蓮花山過江通道連接?xùn)|莞，將形成佛山—番禺—東莞的快速通道。

南大干線(東新高速至番禺大道)—東新高速至G105國道K2+960—K4+869工程位于番禺區(qū)大石街，路線全長1.909 km，起終點樁號為K2+960，是整個南大干線中的一部分。路線西起于東新高速公路(互道立交不包括立交范圍)，南大干線主線高架橋設(shè)上、下匝道與東新高速連接；路線向東延伸，南大干線主線連續(xù)高架，分別上跨規(guī)劃石西路、大石次三路，地面輔道與之作平面交叉；南大干線繼續(xù)向東至終點樁號K4+869,其中與地鐵二號線會江站交叉部分平面圖如圖 1所示。

圖1 地鐵二號線會江站交叉部分平面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

場區(qū)屬珠江三角洲沉積區(qū)，從上往下，覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4)、第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)，第四系殘積層(Qel)，基巖為白堊系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖(K)。本路線工程地質(zhì)的主要特點是全線分布巨厚層軟土，本工程全線為軟土路基，軟土為流塑狀淤泥、流塑狀—軟塑狀淤泥質(zhì)土。

選取地鐵車站左線和右線典型地質(zhì)縱斷面鉆孔可得，地鐵車站結(jié)構(gòu)主要位于<4-1>粉質(zhì)黏土、<5-2>粉質(zhì)黏土和<6>全風(fēng)化粉砂巖中?？紤]樁基施工及河涌改造施工對地鐵車站的影響主要為土體側(cè)向卸載及頂部豎向加卸載可能產(chǎn)生的車站結(jié)構(gòu)位移，因此地鐵車站所在位置的巖土層物理力學(xué)特性對分析樁基施工、河涌改造施工等產(chǎn)生的影響更為敏感，選取地鐵鉆孔作為評估的地質(zhì)條件。

對比以上鉆孔可得，建模分析過程以距離河涌改造段更近且?guī)r面最低對地鐵車站結(jié)構(gòu)更為不利的MBZ3-HJ-05作為計算依據(jù)，可獲得更為準確、真實的計算結(jié)果，相應(yīng)的鉆孔柱狀圖見圖2。

2 數(shù)值模擬研究

MIDAS/GTS NX是一款基于尖端的計算機處理和分析技術(shù)研發(fā)而成的新一代通用巖土分析軟件。該軟件包含施工階段的應(yīng)力分析和滲透分析等巖土和隧道所需的幾乎所有分析功能的通用分析軟件。GTS/NX將通用分析程序MIDAS/Civil的結(jié)構(gòu)分析功能和前后處理程序MIDAS/FX+的幾何建模和網(wǎng)格劃分功能結(jié)合后，加入了適合于巖土和隧道領(lǐng)域的專用分析功能。

圖2 MBZ3-HJ-05鉆孔柱狀圖

2.1 分析范圍

(1) 南大干線主線主線橋高架段與地鐵會江站相交，與車站呈近似垂直關(guān)系，本次分析區(qū)域內(nèi)主線橋K3+320橋臺樁基與車站結(jié)構(gòu)最小凈距6.7 m。A匝道高架段與地鐵會江站相交，與車站呈近似垂直關(guān)系，本次分析區(qū)域內(nèi)A匝道AK0+100橋臺樁基與隧道盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)最近距離10 m。

(2) 500千伏穗西電力隧道工程(南大干線共建段)第1路段與二號線會江站相交。穗西電力隧道擬采用 Φ4 100 mm盾構(gòu)，由于地鐵車站覆土有限，隧道無法從區(qū)間上方穿越，設(shè)計采用盾構(gòu)從二號線車站底下穿，電力隧道距離車站凈距6.7 m。盾構(gòu)隧道穿越處地層為紅層中風(fēng)化帶，地質(zhì)條件好。

(3) 會江涌箱涵改造工程與車站主體結(jié)構(gòu)近似平行，與車站附屬I號出入口斜交。新建箱涵樁基距離車站附屬I號出入口最小凈距3.26 m。新建箱涵距離車站主體結(jié)構(gòu)最小凈距2.84 m，擋土墻距離車站主體結(jié)構(gòu)最小凈距2.12 m，施工期間基坑開挖深度3.2 m～3.9 m，采用放坡開挖，基坑開挖頂距離車站主體結(jié)構(gòu)最小凈距僅0.5 m。新建箱涵兩側(cè)填土高度1.5 m。新建箱涵從I號出入口上方通過，跨越I號出入口采用樁基加混凝土板的形式架空穿越，施工期間開挖基坑底以及施工后箱涵底距離車站附屬結(jié)構(gòu)頂板凈距僅10 cm。

根據(jù)擬建南大干線主線橋高架段、A匝道高架段、擬建穗西電力隧道以及擬改造會江涌方案與緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，結(jié)合樁基設(shè)計方案、承臺開挖方案、橋梁上部結(jié)構(gòu)方案、電力隧道以及會江涌改造的設(shè)計和施工等資料，建立三維整體模型，詳見圖3。

圖3 數(shù)值模型三維透視圖

本文整體模型中包含了既有的二號線會江站、擬施工南大干線主線高架段、A匝道高架段、穗西電力隧道和擬改造會江涌，模型計算范圍為長約125 m，寬約100 m，土層計算深度為75 m。

2.2 計算參數(shù)

本文主要參考《廣州市軌道交通二、八號線拆解工程會江站詳細勘察階段巖土工程勘察報告》提供的巖土層參數(shù)作為計算依據(jù)，并根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，可確定三維整體模型的巖土層參數(shù)。

各巖土層土體采用彈塑性本構(gòu)模型進行模擬，具體計算參數(shù)見表1。

表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)二號線會江站設(shè)計資料，可確定三維整體模型的車站幾何尺寸及物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 車站結(jié)構(gòu)主要參數(shù)表

依據(jù)穗西電力隧道設(shè)計方案資料，三維整體模型的結(jié)構(gòu)幾何尺寸見表3。

表3 電力隧道管片主要參數(shù)表

依據(jù)樁基設(shè)計方案資料，三維整體模型的結(jié)構(gòu)幾何尺寸見表4。

表4 樁基結(jié)構(gòu)主要參數(shù)表

2.3 邊界條件及基本假設(shè)

邊界條件：三維整體模型的邊界條件為：模型底部約束Z方向位移，模型前后兩面約束Y方向位移，模型左右兩面約束X方向位移。三維整體模型的荷載條件為：巖土層自重、樁機自重、橋墩自重及現(xiàn)澆梁滿堂支架荷載。一般地面按20 kPa，樁機超載按40 kPa，現(xiàn)澆梁滿堂支架荷載按設(shè)計要求及相關(guān)規(guī)范取值。

基本假設(shè)：將土體視為均質(zhì)、各向同性、理想的層狀彈塑性體，并在盾構(gòu)過程中不考慮土體的時間效應(yīng); 電力隧道管片為各向同性的線彈性體，且忽略其管道接頭的影響; 忽略模型尺寸效應(yīng)與粒徑效應(yīng); 在土體與管片之間的注漿層，考慮其注漿硬化的過程，僅考慮注漿后的壓力大小。

2.4 分析工況

本次分析內(nèi)容主要是擬建南大干線路高架段樁基施工、穗西電力隧道以及會江涌改造等施工對地鐵二號線車站結(jié)構(gòu)的影響。

針對擬建工程的全過程進行三維模擬，共分為46個施工工況，計算分析前2個工況為模擬地鐵施工初始狀態(tài)，主要為獲取地鐵結(jié)構(gòu)初始內(nèi)力；工況3—工況7為模擬A匝道高架段施工；工況8—工況12為模擬主線橋高架段施工；工況13—工況17為模擬會江涌箱涵改造施工；工況18—工況46為模擬電力隧道盾構(gòu)掘進施工，具體如表5所示。

表5 模擬工況施工步驟

3 模擬結(jié)果分析

3.1 地鐵結(jié)構(gòu)水平位移

通過分析南大干線高架段施工、會江涌改造施工以及穗西電力隧道施工的過程，獲得擬建南大干線、會江涌改造及穗西電力隧道施工對地鐵結(jié)構(gòu)的水平位移的影響，如圖4所示。

由計算結(jié)果可知，地鐵結(jié)構(gòu)水平位移隨著樁基施工、河涌改造施工和電力隧道施工的增加而增大，在基坑開挖與舊箱涵破除時，位移產(chǎn)生突變，主要是因為基坑土的移除打破了原有的土體平衡，因此在施工時應(yīng)注意基坑支護，來維持原有平衡。位移最大值為1.037 mm，出現(xiàn)在工況38(電力隧道第21環(huán)施工)，位移最大值位于I號出入口頂板靠近河涌基坑開挖東側(cè)的位置，且位于車站結(jié)構(gòu)的頂部。

圖4 各工況步驟下地鐵結(jié)構(gòu)水平位移極值

地鐵結(jié)構(gòu)水平位移變化較大的工況出現(xiàn)在工況15—工況17，說明河涌改造施工是引起地鐵結(jié)構(gòu)水平位移的主要施工因素。

3.2 地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移

通過分析南大干線高架段施工、會江涌改造施工以及穗西電力隧道施工的過程，獲得擬建南大干線、會江涌改造及穗西電力隧道施工對地鐵結(jié)構(gòu)的豎向位移的影響，如圖5所示。

圖5 各工況步驟下地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移極值

由計算結(jié)果可知，地鐵豎向位移最大值為隆起3.704 mm，出現(xiàn)在工況15(基坑開挖與舊箱涵破除)，可在圖中看到明顯的突變，隨著擋土墻與新箱涵施工和基坑回填迅速減小，可見在基坑開挖過程中，有效的支護非常有必要，并且在進行回填前不能拆掉支撐裝置。隨著電力隧道盾構(gòu)的開挖，豎向位移基本平穩(wěn)。 位移最大值位于I號出入口與箱涵開挖基坑相交處正下方的頂板，且位于車站結(jié)構(gòu)的頂部。

3.3 地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力

通過分析南大干線高架段施工、會江涌改造施工以及穗西電力隧道施工的過程，獲得擬建南大干線、會江涌改造及穗西電力隧道施工對地鐵結(jié)構(gòu)的彎矩的影響，如圖6所示。

由計算結(jié)果可知，地鐵結(jié)構(gòu)初始彎矩值為-1 130.12 kN·m，彎矩極值為-1 158.67 kN·m，出現(xiàn)在工況15(基坑開挖與舊箱涵破除)，在擬建項目施工期間，隧道彎矩呈增大趨勢，彎矩增量為28.55 kN·m，增幅僅為2.5%。

圖6 各工況步驟下地鐵結(jié)構(gòu)彎矩極值

4 結(jié) 論

本文通過建立三維模型分析了南大干線高架段、會江涌改造以及穗西電力隧道施工荷載對地鐵結(jié)構(gòu)的彎矩的影響，模擬了橋梁施工、會江涌改造和電力隧道施工的過程，獲得了各工況下地鐵二號線會江站結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力變化情況。

(1) 在工況5—工況6模擬中，隨著A匝道承臺基坑開挖，水平、豎向位移和彎矩都出現(xiàn)突變，在此階段施工中，應(yīng)保障開挖過程中的支撐。

(2) 施工工況模擬中，在工況15即基坑開挖與舊箱涵破除中，水平位移、豎向位移和彎矩同時達到最大值，在施工過程中，應(yīng)做好開挖前后期的支護。

(3) 整個盾構(gòu)電力隧道開挖過程中，未出現(xiàn)明顯的位移和彎矩突變，在水平位移上較為平穩(wěn)，豎向位移和彎矩都有小幅度上升，應(yīng)加以關(guān)注。

(4) 地鐵車站結(jié)構(gòu)水平位移極值為1.037 mm，豎向位移極值為隆起3.704 mm，隧道結(jié)構(gòu)彎矩極值為-1 158.67 kN·m，彎矩增量為28.55 kN·m，增幅僅為2.5%。