張瑋鵬

(廣州大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司)

0 引言

隨著城市交通運輸需求的進一步提高，相關(guān)交通工程建設(shè)越來越密集，尤其是市區(qū)地鐵隧道與市政橋梁的建設(shè)，對地下空間、地上空間進行了充分利用，在有限單位土地面積上顯著提高了交通運輸效率，但在某些節(jié)點位置，地下、地面、地上的交通運輸結(jié)構(gòu)不可避免地存在復(fù)雜立交關(guān)系，后建工程需充分考慮對已建結(jié)構(gòu)的保護，以確保立體交叉運輸節(jié)點的安全穩(wěn)定。

本文以廣州市某市政工程為基本案例，采用Midas GTS-NX 三維有限元軟件分析計算該立體交叉節(jié)點市政橋梁及配套工程施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，為類似項目提供借鑒參考。

1 工程概況

廣州市某互通立交工程的主線橋梁、匝道橋梁、一條污水管、一條電力管、新建河渠均位于廣州地鐵3 號線北延段保護范圍內(nèi)，橋墩樁基距離地鐵3 號線北延段區(qū)間隧道最近距離為5.1m，污水管底至地鐵隧道結(jié)構(gòu)頂凈距約4m，電力管底距離隧道頂約10m，新建河渠底距離地鐵隧道頂約7m。市政工程涉鐵關(guān)系詳見圖1～圖3。

圖1 市政工程涉鐵平面關(guān)系示意圖

圖2 橋梁樁基與地鐵隧道橫斷面關(guān)系圖

圖3 河渠基坑與地鐵隧道橫斷面關(guān)系圖

主線及匝道橋梁樁基采用直徑1.0m、1.2m、1.5m、1.8m 的旋挖灌注樁，樁底進入中風(fēng)化巖層，全套管鋼套管跟進施工；污水管底埋深8.4m，管徑2.4m，采用頂管法施工，主要在粉質(zhì)黏土層中頂進；電力管溝開挖深度約2.1m、開挖寬度約2.1m，采用放坡支護開挖，基坑底位于填土層中；新建河渠基坑開挖深度約5.7m、開挖寬度約17.8m，采用φ700@500 格柵式攪拌樁重力式擋墻+φ600×14@3000 鋼管撐支護，基坑底位于粉質(zhì)粘土層中。

2 三維有限元數(shù)值模擬分析

基于項目周邊環(huán)境情況、場地地質(zhì)情況、擬建項目施工圖紙、已建隧道結(jié)構(gòu)竣工圖紙，最終確定分析模型的大?。ㄩL×寬×高）為390m×140m×50m。慮巖土體為半無限體，模型以外不再考慮變形，即設(shè)定為固定邊界；根據(jù)場地詳細勘察報告設(shè)置模型巖土地層參數(shù)，詳見表1；模型頂面考慮20kN/m2地面活動荷載。最終建立的整體三維有限元模型如圖4、圖5 所示。

圖4 三維有限元分析模型（一）

圖5 三維有限元分析模型（二）

根據(jù)相關(guān)設(shè)計圖紙及施工方案，結(jié)合現(xiàn)場實際情況建立三維整體有限元模型，關(guān)鍵工況如下：

工況一：施工河涌基坑支護結(jié)構(gòu)并開挖到基坑底；

工況二：施工G106 國道橋梁樁基；

工況三：吊車吊裝施工預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)，施加地面施工荷載；

工況四：施工污水管頂管工作井及污水管；

工況五：施工電纜管；

工況六：運營階段分析，施加道路運營荷載。

經(jīng)過計算分析，地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移有限元計算結(jié)果

3 結(jié)論

基于項目基本工程概況、勘察資料、設(shè)計圖紙、施工方案、隧道結(jié)構(gòu)圖紙等提資，通過涉鐵工程施工對地鐵隧道影響的三維有限元模擬分析，可得到如下結(jié)論：

⑴涉鐵市政橋梁及配套工程施工將使得地鐵隧道發(fā)生一定量位移和內(nèi)力變化，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的最大水平位移為1.269mm、最大豎向隆起位移為2.928mm，軸力最大變化量為88.39 kN/m、變化率為10.58%，彎矩最大變化量為9.87kN·m/m、變化率為13.22%。待涉鐵市政工程完工且道路運營后，隧道結(jié)構(gòu)位移小于國標(biāo)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》地鐵隧道結(jié)構(gòu)保護要求限制20mm，應(yīng)力變化后地鐵隧道結(jié)構(gòu)的配筋及裂縫滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

⑵基于以上分析計算結(jié)果可知，雖然涉鐵工程距離云圖詳見圖6、圖7，數(shù)據(jù)匯總表詳見表2、表3。地鐵隧道結(jié)構(gòu)較近，但樁基采用了全套管施工工藝的嵌巖樁、河渠改渠箱的基坑實際挖深不深且隧道所在區(qū)域土層相對較好，因此廣州地鐵隧道結(jié)構(gòu)在涉地鐵市政工程施工和道路運營過程中是安全的。

圖6 工況六完成后隧道結(jié)構(gòu)總位移云圖

表2 地鐵隧道位移變化有限元計算結(jié)果匯總

表3 地鐵隧道應(yīng)力變化有限元計算結(jié)果匯總

圖7 工況六完成后隧道結(jié)構(gòu)彎矩云圖

4 建議

⑴施工完橋梁樁基礎(chǔ)后，需配置吊車吊裝施工預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)，此時地面荷載達到最大，這個工況下隧道結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力也發(fā)生了明顯變化，現(xiàn)場應(yīng)鋪設(shè)足夠厚度和寬度的鋼板、甚至施工臨時砼板地面，將吊車傳導(dǎo)下來的集中荷載盡可能擴散開來，避免地鐵隧道結(jié)構(gòu)上的附加應(yīng)力過于集中。

⑵距離地鐵隧道距離小于5m 的樁基施工時，建議跳樁、對稱施工以減小應(yīng)力傳遞效應(yīng)；污水管頂管施工應(yīng)加強導(dǎo)向和測量，確保管道與地鐵隧道保持安全距離。

⑶立體交叉節(jié)點涉鐵工程較為復(fù)雜，涉及近距離樁基施工、上跨基坑開挖、頂部頂管頂進施工等，但其中河渠基坑開挖主要引起隧道隆起，樁基施工及吊車吊裝施工、預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)施工主要引起隧道沉降，應(yīng)特別注意對涉鐵關(guān)鍵工況采取針對性管控措施。