道路施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的安全性影響分析

李 攀，劉 健

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，各城市在建和投入運(yùn)營(yíng)的地鐵越來(lái)越多，新建道路上跨地鐵車站的情況也日益增多［1］；采用有限元軟件，正確模擬地鐵周邊建（構(gòu)）筑物施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響，已成為地鐵保護(hù)的重要工作［2～8］。本文以長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線某車站和區(qū)間為例，采用有限元ANSYS和GTS-NX軟件分別進(jìn)行二維和三維數(shù)值模擬，計(jì)算分析道路施工前后，地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形，為評(píng)定道路施工期間地鐵安全提供依據(jù)并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出建議性措施。

1 工程概況

某道路位于已運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線車站及區(qū)間上方，設(shè)計(jì)速度50 km/h，雙向4車道，總寬度26.5 m，總長(zhǎng)257.314 m。車站長(zhǎng)472.04 m，寬20.7 m，共7個(gè)出入口、4組風(fēng)亭。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，管片外徑6 m、內(nèi)徑5.4 m、厚度0.3 mm，采用錯(cuò)縫拼裝。見(jiàn)圖1。

圖1 道路與地鐵關(guān)系

道路設(shè)計(jì)標(biāo)高42.04～46.971 m，車站頂板覆土厚度4.2～4.9 m，區(qū)間盾構(gòu)隧道頂面標(biāo)高31.00～31.9 m；道路施工完成后，區(qū)間隧道頂覆土厚度約11.5～15.07 m，道路現(xiàn)場(chǎng)為施工棄土堆放區(qū)，局部堆土最大標(biāo)高47.5 m。

為保證地鐵結(jié)構(gòu)安全，采用二維荷載結(jié)構(gòu)法和三維地層結(jié)構(gòu)法，從位移和受力兩個(gè)方面分析道路施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算范圍內(nèi)土層由上至下依次為雜填土、耕土、粉質(zhì)黏土、圓礫、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖。

2 道路荷載對(duì)地鐵的影響

根據(jù)收集到的資料顯示，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按規(guī)劃地面標(biāo)高46.0 m考慮，現(xiàn)狀堆填標(biāo)高最高達(dá)到47.5 m，故采用有限元ANSYS軟件對(duì)最不利斷面，即現(xiàn)狀堆填標(biāo)高47.5 m處的附加荷載進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算模型

由于管片采用錯(cuò)縫拼裝，計(jì)算模型的選擇必須考慮管片接頭部位抗彎剛度的下降、環(huán)間剪切鍵等對(duì)隧道結(jié)構(gòu)總體剛度的補(bǔ)強(qiáng)作用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外常用的模型和計(jì)算方法，選用國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)成熟的日本修正慣用設(shè)計(jì)法，其結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

將襯砌圓環(huán)考慮為彈性勻質(zhì)圓環(huán)，用＜1的剛度折減系數(shù)η（取0.8）來(lái)體現(xiàn)管片接頭的影響，不具體考慮接頭的位置，用曲梁?jiǎn)卧M剛度折減后的襯砌圓環(huán)，按三角形抗力模擬結(jié)構(gòu)與地層間的相互作用，取縱向單位延米管片寬度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，然后考慮錯(cuò)縫拼裝后的整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩分配。見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 管片荷載

圖3 錯(cuò)縫拼裝彎矩分配

管片內(nèi)力計(jì)算的彎矩為（1+ξ）M，軸力為N；接頭內(nèi)力計(jì)算的彎矩為（1-ξ）M，軸力為N。ξ為彎矩增大系數(shù)（取0.2）。

2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算時(shí)考慮高水位（取至地面）和常水位（標(biāo)高32.00 m）兩種工況。見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 盾構(gòu)隧道彎矩

圖5 盾構(gòu)隧道軸力

2.3 結(jié)果分析

現(xiàn)狀堆填覆土厚度不會(huì)對(duì)地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)安全和正常使用造成影響，地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)仍具有一定的安全性。

3 道路施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響

3.1 本構(gòu)模型和單元類型

采用巖土工程有限元軟件邁達(dá)斯GTS-NX，進(jìn)行以下工況的計(jì)算：初始地應(yīng)力，地鐵結(jié)構(gòu)未施工；車站結(jié)構(gòu)施工；現(xiàn)狀堆載情況計(jì)算；道路根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高施工計(jì)算。

計(jì)算采用修正摩爾-庫(kù)倫模型模擬，見(jiàn)表1。

表1 模擬單元類型

該模型為非線性彈性模型和彈塑性模型組合，可以模擬不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為。相對(duì)于摩爾-庫(kù)倫模型，該模型更加詳細(xì)，彈性模量可根據(jù)加載和卸載設(shè)置為不同的值，可以有效防止開(kāi)挖模擬時(shí)由于應(yīng)力釋放引起的過(guò)大隆起（膨脹的現(xiàn)象），使計(jì)算的收斂性更好。

模型尺寸為290 m（長(zhǎng)）×160 m（寬）×50 m（深）。模型邊界條件：外側(cè)土體四周約束水平位移，底部邊界約束豎方向的位移，地表為自由邊界。見(jiàn)圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)模型

3.2 結(jié)果分析

1）道路施工對(duì)車站結(jié)構(gòu)的影響見(jiàn)表2。

表2 道路施工前后車站位移和內(nèi)力

由表2可知，道路施工完成后，車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化很小，位移和內(nèi)力均在可控范圍內(nèi)；現(xiàn)狀堆載情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力較初始狀態(tài)有明顯變化且變化幅度較大，考慮到車站堆載為短暫工況且地鐵剛運(yùn)營(yíng)不久，圍護(hù)結(jié)構(gòu)尚可以起到有利影響，經(jīng)計(jì)算車站承載能力極限狀態(tài)仍可滿足要求，但已經(jīng)接近承載能力極限狀態(tài)。

2）道路施工對(duì)區(qū)間隧道的影響見(jiàn)表3。

表3 道路施工前后隧道位移和內(nèi)力

由表3可知，道路施工對(duì)盾構(gòu)隧道位移、彎矩和軸力均有一定影響且現(xiàn)場(chǎng)存在堆載的情況下，影響作用更加明顯。由于盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)時(shí)，已按照規(guī)劃道路標(biāo)高進(jìn)行配筋，經(jīng)核算，增大彎矩和軸力后現(xiàn)有管片配筋仍滿足受力要求。

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

1）道路開(kāi)挖、修筑會(huì)引起土體變形，從而導(dǎo)致下方地鐵車站和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形。經(jīng)核算，道路施工完成后長(zhǎng)期狀況下引起的車站結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為0.7 mm，引起的盾構(gòu)隧道最大位移為3.2 mm，處于地鐵結(jié)構(gòu)容許變形范圍內(nèi)，說(shuō)明道路施工引起的車站變形基本可控。

2）道路施工會(huì)引起車站和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，長(zhǎng)期工況下的車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力值在其容許值范圍內(nèi)，道路施工不會(huì)引起車站結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)隧道強(qiáng)度破壞，長(zhǎng)期工況下的安全基本可控。

3）車站主體結(jié)構(gòu)在目前堆載短暫工況下，承載力已經(jīng)接近極限狀態(tài)，應(yīng)立即停止堆載并按照規(guī)劃道路進(jìn)行削坡。

4.2 建議

1）路面結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，地鐵車站范圍建議采用輕型設(shè)備，不宜使用超大、超重型設(shè)備。

2）為減小路基開(kāi)挖施工對(duì)車站的影響，建議將處于車站正上方的道路由南向北（或由北向南）分6段依次進(jìn)行土方開(kāi)挖和路基回填，每段開(kāi)挖寬度不宜超過(guò)15 m。

3）為保證路基開(kāi)挖及回填施工不破壞地鐵車站頂板上的防水層，同時(shí)考慮地鐵車站的抗浮需要，道路施工期間需至少保證地鐵車站頂板上方0.5 m厚覆土不得開(kāi)挖且車站頂板上1.0 m范圍內(nèi)土方應(yīng)采用人工開(kāi)挖，具體開(kāi)挖深度需結(jié)合地鐵車站頂部標(biāo)高及道路施工實(shí)際需要綜合確定。

4）建議采用信息化施工，加強(qiáng)對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，針對(duì)地鐵制定有針對(duì)性的監(jiān)控量測(cè)方案，制定應(yīng)急預(yù)案，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，保證地鐵結(jié)構(gòu)安全。