張 源

(北京城鄉(xiāng)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100067)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,越來越多的人口涌向城市,這導(dǎo)致城市建設(shè)和交通需求的不斷增加。在新興城市橋梁興建過程中,往往難以避免與現(xiàn)有的城市軌道交通隧道毗鄰。

垂直荷載會(huì)讓樁基在施工過程中產(chǎn)生豎向沉降,這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致樁基周邊土力發(fā)生垂直和水平位移。鄰近樁基附近的城市軌道交通隧道更會(huì)出現(xiàn)附加應(yīng)力變形[1]。橋梁樁基施工過程中導(dǎo)致的樁基土應(yīng)力會(huì)讓城市軌道交通隧道產(chǎn)生內(nèi)力變形,影響臨近城市軌道交通隧道的安全性、穩(wěn)定性。為此研究城市軌道交通隧道的結(jié)構(gòu)安全,為后期運(yùn)營對臨近隧道結(jié)構(gòu)安全有重要的意義。文獻(xiàn)[2-4]對不同工程案例,利用三維有限元數(shù)值模型,模擬橋梁樁基成孔、運(yùn)營期間橋梁樁基承載荷載擴(kuò)散的土應(yīng)力對既有軌道隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形影響。本文運(yùn)用模擬分析,得出豐臺火車站站房東側(cè)立交施工對鄰近地鐵10號線豐臺站—泥洼站區(qū)間的影響小于規(guī)范要求,能夠保證橋梁施工期間隧道的安全運(yùn)營,對類似工程可提供參考[5]。

1 工程概況

豐臺火車站站房東側(cè)立交位于豐臺區(qū)西南三環(huán)與西南四環(huán)之間,具體位置詳見圖1。擬建工程為豐臺火車站東側(cè)落客高架平臺和地下車庫與地面道路系統(tǒng)的銜接匝道,包含DC線匝道橋、DG1通道和DG3通道等。

本文對地下通道施工、匝道橋樁基施工及橋梁加載對鄰近地鐵10號線豐臺站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)以及軌道變形影響進(jìn)行計(jì)算分析、安全性評估,以便后續(xù)豐臺火車站站房東側(cè)立交鄰近地鐵10號線豐臺站—泥洼站區(qū)間安全性影響評估工作的開展。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

模型的幾何范圍理論上應(yīng)該選擇在應(yīng)力增量或位移增量可以被忽略不計(jì)的位置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般情況下可以選擇研究區(qū)域的尺寸為3倍～5倍[6]。根據(jù)本工程的實(shí)際情況,我們使用巖土專業(yè)有限元分析軟件PLAXIS 3D,采用三維連續(xù)介質(zhì)有限元方法建立了DC線匝道橋(DC-04DC-08橋樁)及豐臺站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,基于此模型,預(yù)測分析樁基施工及樁基加載和基坑開挖對豐臺站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)變形情況的影響。綜合考慮評估范圍、評估對象相對位置關(guān)系、施工影響范圍和計(jì)算邊界,建立了DC線匝道橋(DC-04DC-08橋樁)、地下通道(DG1通道、DG3通道)支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu),以及豐臺站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。圖1,圖2分別展示了整體和部分結(jié)構(gòu)模型。DC線匝道橋分析模型的范圍為210 m×150 m×50 m(東西×南北×地層深度),包括45 000個(gè)單元和67 220個(gè)節(jié)點(diǎn)。DC匝道橋結(jié)構(gòu)模型見圖3。

2.2 計(jì)算參數(shù)與荷載

根據(jù)《豐臺火車站站房東側(cè)立交專用匝道工程——DN匝道、DN1匝道、DC匝道(K0+350—K0+588.15)巖土工程勘察報(bào)告》,在工程場地內(nèi),地層經(jīng)過概化劃分為5層,以勘察報(bào)告中的土工試驗(yàn)、現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)以及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定各層土體參數(shù)取值。

計(jì)算中采用摩爾-庫侖(M-C)模型計(jì)算土層,在混凝土方面則使用線彈性模型。圍護(hù)樁、U型槽、閉合框架以及路面結(jié)構(gòu)采用板單元模擬,橋墩和鋼支撐則以梁單元模擬,而灌注樁則以樁單元模擬。模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1,表2。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算的荷載,主要考慮了以下幾種:1)既有區(qū)間結(jié)構(gòu)自重;2)土體自重;3)路面荷載;4)橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)自重等。

2.3 計(jì)算假定

擬建工程施工期間,豐臺站—泥洼站區(qū)間僅考慮正常使用工況,不考慮地震、人防工況;假定區(qū)間結(jié)構(gòu)、橋梁群樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)均為線彈性材料;假定區(qū)間結(jié)構(gòu)與土體之間接觸良好,符合變形協(xié)調(diào)原則。

3 施工過程模擬

根據(jù)擬建工程設(shè)計(jì)資料,將數(shù)值模擬工序簡化為以下4個(gè)步序(見圖4):

1)激活地層,生成初始應(yīng)力場。2)施工豐臺站—泥洼站區(qū)間,并將位移清零。3)開挖、施工地下通道并回填夯實(shí)。4)DC04—DC08橋群樁基礎(chǔ)施工。5)DC04—DC08橋梁加載。

為了模擬隧道開挖過程,我們采用鈍化地層實(shí)體單元和二襯板單元。而為了模擬橋梁樁基礎(chǔ)施工過程,我們則激活基樁梁單元和改變承臺實(shí)體單元屬性。這些模擬方法已經(jīng)在文獻(xiàn)[7-8]中得到了廣泛應(yīng)用。

4 計(jì)算結(jié)果

1)DC04—DC08橋群樁基礎(chǔ)施工完成時(shí)引起區(qū)間結(jié)構(gòu)累計(jì)變形見圖5。

區(qū)間結(jié)構(gòu)變形表現(xiàn)為左線大于右線,最大隆起出現(xiàn)在左線,達(dá)到0.52 mm;最大水平變形出現(xiàn)在左線向開挖側(cè),達(dá)到0.23 mm。這些變形均發(fā)生在區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。

2)DC04—DC08橋梁加載基礎(chǔ)施工完成時(shí)引起區(qū)間結(jié)構(gòu)累計(jì)變形見圖6。

區(qū)間結(jié)構(gòu)變形左線大于右線,左線最大隆起0.50 mm;左線最大水平變形0.24 mm。均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。施工引起隧道結(jié)構(gòu)部分位置產(chǎn)生一定程度的豎向沉降,最大值為0.5 mm。

3)DC04—DC08橋群樁基礎(chǔ)施工完成時(shí)引起區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)累計(jì)變形見圖7。

左線軌道結(jié)構(gòu)最大隆起0.42 mm,最大水平變形0.15 mm(向開挖側(cè));右線軌道結(jié)構(gòu)最大隆起0.13 mm,最大水平變形0.10 mm(向開挖側(cè))。

4)DC04—DC08橋梁加載完成時(shí)引起區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)累計(jì)變形(見圖8)。

左線軌道結(jié)構(gòu)最大隆起0.42 mm,最大水平變形0.15 mm(向開挖側(cè));右線軌道結(jié)構(gòu)最大沉降0.33 mm,最大水平變形0.10 mm(向開挖側(cè))。

結(jié)構(gòu)累計(jì)變形統(tǒng)計(jì)表見表3。

表3 各工序施工完成時(shí)引起的豐臺站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)累計(jì)變形統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

本文以地鐵10號線豐臺站—泥洼站區(qū)間隧道為研究對象,采用三維建模并進(jìn)行有限元分析,研究其附近橋梁施工并加載的過程對隧道結(jié)構(gòu)的安全影響,得出以下結(jié)論:

1)預(yù)計(jì)對鄰近10號線豐臺站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的變形影響,針對擬建在豐臺站東側(cè)的DC線匝道橋樁基施工及橋梁加載的各工序,分別列出最大值如下:DC線匝道橋樁基施工及橋梁加載引起的變形最大值為:區(qū)間左線結(jié)構(gòu)最大水平向(向開挖一側(cè))變形為0.34 mm,位于距離DG3通道水平距離最近的區(qū)間左線位置。右線結(jié)構(gòu)最大沉降值為0.48 mm,位于距離DC07水平距離最近的區(qū)間右線位置。DC線匝道橋樁基施工及橋梁加載引起的軌道結(jié)構(gòu)變形最大值為:區(qū)間左線軌道結(jié)構(gòu)最大水平向(向開挖一側(cè))變形為0.29 mm,位于距離DG3通道水平距離最近的區(qū)間左線位置。右線軌道結(jié)構(gòu)最大沉降值為0.33 mm,位于距離DC07水平距離最近的區(qū)間右線位置。

2)橋梁施工推進(jìn)過程中,樁基周圍地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)幾乎無豎向位移,水平位移量隨著與樁基距離減少而增大,其中左線受附近既有地下通道影響,水平位移量(向開挖側(cè))略大于右線。

3)橋梁加載時(shí),臨近樁基的區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降,左線豎向位移累計(jì)值幾乎不變,未發(fā)生明顯沉降而右線沉降顯著;左線水平位移量略大于右線。

4)通過三維建模并進(jìn)行有限元分析可以相對精準(zhǔn)地預(yù)測橋梁施工中產(chǎn)生的隧道變形與內(nèi)力的變化,其結(jié)果表明橋梁工程施工及后續(xù)通車加載引起的下穿隧道沉降變形與水平變形有可能會(huì)超出施工及運(yùn)營規(guī)范要求。擬建工程開始監(jiān)測時(shí)初始值宜考慮疊加已發(fā)生的部分變形,并根據(jù)變形控制指標(biāo)做好預(yù)警預(yù)報(bào)工作。當(dāng)變形監(jiān)測結(jié)果超過變形控制標(biāo)準(zhǔn)或變形速率過大時(shí),應(yīng)立即采取有效的臨時(shí)加固措施以控制變形。