市政道路下穿對機場快軌U形槽變形的影響分析

睢忠強,汪小慶,王 凱,楊松林,劉建友

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044； 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司城市軌道交通設計研究院,北京 100055)

新建地下工程施工不可避免地對既有線結構產生擾動，影響既有線的運營，嚴重時可能造成既有線結構的破壞和部分使用功能的喪失，危及行車安全[1]。北京市軌道交通建設管理有限公司在環境安全分級中，將下穿既有軌道線路(含鐵路)的新建線路定為特級環境安全風險[2]。北京新機場線位于北京南部三環以外區域，是一條服務于北京新機場的專線，線路全長41 km[3]，其中地下段長約23.7 km，高架段長約17.7 km[4]，遠大于常規地鐵[5]，結構形式復雜，包含U形槽113 m、路基1 390 m，且路基和U形槽結構共構，設計最高運行速度為160 km/h[6]，交叉施工多、難度大[7]，這就對線路的安全運營及次干一路穿越工程的控制指標提出了嚴格的要求。

眾多學者[8-12]研究了穿越工程對既有線的影響，周順華[13]將地下穿越施工變形分為絕對量控制和相對量控制，并給出了具體的控制方法，同時指出，變形控制的難易程度取決于地層的工程和力學性質。韓煊[14]基于剛度修正法的基本思路和對實測既有線隧道變形特征的分析，從國內外典型的地鐵下穿既有線的案例分析著手，著重考慮既有隧道埋深、結構剛度對其變形特征的影響，提出適用于預測既有線在新建隧道下穿影響下產生沉降的簡便分析方法。王占生[15]結合北京地鐵5號線崇文門站下穿既有地鐵2號線區間隧道工程，通過有限元分析方法等進行新建隧道施工對既有地鐵影響的預測分析，將主要控制標準按施工步序進行分解，實施控制標準的分階段控制，確保既有地鐵的正常安全運營。張弢[16]對南水北調東干渠輸水隧洞穿越北京軌道交通機場線方案進行評估分析研究，計算選用ANSYS軟件，從U形槽結構變形、既有地鐵軌道結構變形等方面，對3種穿越方案進行對比，采用變形數值最小的注漿加固措施穿越方案作為最終方案。張文正[17]運用ANSYS軟件模擬大盾構隧道在不同位置穿越機場線的施工過程，分析既有高架橋結構的變形結果，提出盾構隧道與橋樁之間的凈距是盾構施工過程中既有結構變形的主要因素。

目前大多數的研究主要集中在穿越工程對既有地鐵隧道區間影響[18-22]，對機場快軌U形槽的影響分析研究比較少，以北京次干一路下穿新機場快軌工程為例，對市政道路下穿機場快軌U形槽沉降控制進行研究，分析市政道路下穿機場快軌的變形影響規律及安全性，以確保市政道路施工及機場快軌U形槽運行安全，可為類似的工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

新機場快軌主線為路基形式，進出場線為U形槽形式，次干一路下穿段位于新機場快軌路基和2個U形槽下方，與新機場快軌軸線平面交角約86°，如圖1所示。U形槽在下穿段處自南向北下坡，坡度為3%。次干一路下穿段框架結構頂距進出場線U形槽結構底板最近處約0.9 m。次干一路下穿段在下穿位置東側開挖基坑，基坑支護采用排樁+錨索的形式?；娱_挖完成后開始下穿施工，如圖2所示。

圖1 次干一路下穿段與新機場快軌平面關系

圖2 次干一路下穿段與機場快軌剖面關系

1.2 地質概況

地質勘察報告揭示，穿越機場線段地層從上到下依次為粉質黏土、粉細砂、粉質黏土、粉細砂、細中砂，隧道洞身位置為粉質黏土、粉細砂等細顆粒地層，模型中涉及的地層如表1所示。

表1 模型中涉及的地層

1.3 機場快軌U形槽變形控制值

為保證施工期間機場快軌既有線的日后正常運營，既有線U形槽結構變形控制標準如下：

(1)結構沉降<4 mm，結構上浮<4 mm，結構水平位移<4 mm；

(2)變化速率<1 mm/d。

2 數值計算模型

2.1 模型參數

采用Midas GTS NX有限元數值分析軟件進行建模計算，參照實際施工時的相關參數，建立高70 m，寬度為115 m，縱向長度85 m的計算模型，隧道埋深10.6 m。數值模型如圖3所示。

圖3 數值分析模型

模型采用實體單元模擬地層土體，地層土體采用修正Mohr-Coulomb本構模型[23]。U形槽結構、路基板、隧道襯砌和管棚均采用板單元模擬，樁采用梁單元模擬，U形槽、路基板、隧道及樁考慮在彈性范圍內工作，采用線彈性本構[24]。在模型底部施加豎向固定位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束[25]，地表為自由面。各土層、結構材料參數見表2、表3。

表2 土層材料參數

表3 結構材料參數

2.2 計算工況

各工況模擬情況的說明如表4所示。

3 結果分析

3.1 初始狀態模擬

施工過程中土體開挖后地應力釋放會造成土體卸載作用。計算基坑、隧道開挖施工對既有新機場快軌U形槽和路基的變形，首先需要地應力平衡計算，獲得初始地應力，之后施做路槽結構、開挖路槽，計算完畢后，為得到施工過程對新機場快軌U形槽產生的附加影響，保留計算所得的應力狀態，同時將位移清零，以此為后續次干一路施工階段的初始狀態，如圖4所示。

表4 計算工況

圖4 模型初始豎向地應力(單位：10-3MPa)

3.2 地層位移分析(圖5)

圖5 施工結束后土層位移云圖

從圖5可以看出，施工結束后，土層位移最大的位置均為基坑和隧道開挖區域：水平方向上，在基坑和隧道銜接部分有向基坑方向位移的趨勢，兩側均發生沿開挖方向的位移，U形槽及路基部分的位移較之略小；豎直方向上，基坑底部發生了較大的隆起，最大達到18.739 mm，四周則發生一定的沉降，呈現出明顯的沉降槽規律，而隧道開挖部分整體表現為沉降，達到了15.031 mm。

3.3 結構位移分析(圖6)

圖6 施工結束后樁的位移云圖

從圖6得到施工結束后，在水平方向上，各種樁均發生了不同程度傾向基坑開挖方向的位移，隨距基坑的遠近而受到的影響不同：距基坑越近位移越大，距離越遠位移越??；在豎直方向上，臨近基坑開挖一側的圍護樁和其他樁表現為隆起，最大為3.710 mm，在臨近隧道開挖一側的樁表現為沉降，最大達到2.582 mm。

施工結束后，新機場快軌U形槽的位移云圖如圖7所示。從圖7可以看出，U形槽上邊緣局部的水平位移隨距離基坑的遠近表現出相反的規律：臨近基坑一側的U形槽發生傾向基坑的位移，遠離基坑一側的U形槽發生傾向隧道開挖方向的位移，整體上發生傾向基坑方向的位移；豎向位移表現出相同的規律：整體上均發生了豎向沉降，其中臨近隧道開挖方向一側的U形槽沉降2.978 mm，明顯大于臨近基坑一側的U形槽沉降1.322 mm，說明基坑開挖卸載的作用明顯。根據GB50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》，變形在安全范圍內。

圖7 施工結束后U形槽位移云圖

圖8是新機場快軌左右U形槽及路基板水平位移隨施工階段的變化曲線。圖8中橫坐標為施工工況，縱坐標為左右U形槽和路基板在次干一路隧道下穿正上方的水平位移。從圖8可以看出，水平方向上，左右U形槽和路基板都整體發生了向基坑開挖方向的位移，其中左側U形槽和路基板的變化幅度相一致，而右側U形槽自基坑開挖結束后隨隧道開挖，出現較大的水平位移。

圖8 U形槽和路基板水平位移

圖9是新機場快軌左右U形槽及路基板豎向位移隨施工階段的變化曲線。圖9中橫坐標為施工工況，縱坐標為左右U形槽和路基板在次干一路隧道下穿正上方的豎向位移。從圖9可以看出，豎直方向上，左右U形槽和路基板的變化規律相同，其中左側U形槽和路基板整個階段都發生了沉降，而右側U形槽則發生了一定程度的隆起，最終表現為沉降。

圖9 U形槽和路基板豎向位移

3.3 結構內力分析

新機場快軌U形槽和路基結構在基坑開挖及隧道穿越前和穿越后的內力分布規律相同，內力變化幅度較小。新機場快軌U形槽結構和路基結構最大內力分別出現在工況9、工況11，具體驗算數值見表5、表6。

表5 下穿段穿越前和穿越后結構承載力驗算

表6 下穿段穿越前和穿越后結構裂縫驗算

由表5、表6可見，新機場快軌U形槽和路基結構在下穿段開挖前后的承載力和裂縫寬度值均滿足控制要求。

4 結論

結合北京次干一路下穿新機場快軌U形槽建設，通過對市政道路穿越機場快軌施工擾動下的U形槽沉降數值計算，得到以下結論。

(1)在基坑及隧道開挖過程中，由于基坑的卸載作用對隧道沉降槽的影響，土層的位移產生了類似板的翹曲效應，而U形槽及路基剛好位于中心位置，受到的影響較小。

(2)下穿段開挖過程引起新機場快軌U形槽和路基發生沉降變形，新機場快軌x方向(垂直新機場快軌軸線方向)變形最大值為0.756 mm，z方向(豎直方向)最大變形體現為豎向沉降，沉降值為2.978 mm。

(3)采用管棚支護施工方案，基坑、隧道施工及結構施做引起的荷載作用對機場快軌U形槽和路基結構產生了一定影響，但影響較小，U形槽和路基在下穿段開挖前后的承載力和裂縫寬度值均滿足控制要求。