橋梁工程施工對既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)的影響

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。

垂直荷載會讓樁基在施工過程中產(chǎn)生豎向沉降,這一現(xiàn)象會導(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 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

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個單元和67 220個節(jié)點(diǎn)。DC匝道橋結(jié)構(gòu)模型見圖3。

2.2 計算參數(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)巖土工程勘察報告》,在工程場地內(nèi),地層經(jīng)過概化劃分為5層,以勘察報告中的土工試驗(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。

計算中采用摩爾-庫侖(M-C)模型計算土層,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)計資料,將數(shù)值模擬工序簡化為以下4個步序(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 計算結(jié)果

1)DC04—DC08橋群樁基礎(chǔ)施工完成時引起區(qū)間結(jié)構(gòu)累計變形見圖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)施工完成時引起區(qū)間結(jié)構(gòu)累計變形見圖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)施工完成時引起區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)累計變形見圖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橋梁加載完成時引起區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)累計變形(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)累計變形統(tǒng)計表見表3。

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

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,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超出施工及運(yùn)營規(guī)范要求。擬建工程開始監(jiān)測時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,應(yīng)立即采取有效的臨時加固措施以控制變形。