景觀改造工程對(duì)地鐵區(qū)間影響分析

鄧 林 恒

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

景觀改造工程對(duì)地鐵區(qū)間影響分析

鄧 林 恒

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

采用土體硬化模型(HS模型)，對(duì)某地鐵明挖區(qū)間正上方景觀改造工程進(jìn)行了三維流固耦合分析，并探討了景觀改造對(duì)地鐵區(qū)間的影響，結(jié)果表明，工程實(shí)施具有明顯豎向卸荷作用，導(dǎo)致土層與地鐵區(qū)間變位，地鐵區(qū)間最大回彈變位4.58 mm，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)安全與運(yùn)營(yíng)影響風(fēng)險(xiǎn)可控。

HS模型，地鐵區(qū)間，豎向卸荷，數(shù)值模型

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速推進(jìn)、軌道交通網(wǎng)絡(luò)逐步形成，土地集約化效應(yīng)日趨明顯，其他市政工程與既有軌道交通結(jié)構(gòu)交匯幾率增加，位于地鐵區(qū)間上方的工程案例逐漸增多[1,2]。

軌道交通工程實(shí)施時(shí)改變了土體初始應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)，使得土層應(yīng)力分布非常復(fù)雜。新建工程實(shí)施時(shí)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場(chǎng)二次重分布，引起既有軌道交通結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，影響結(jié)構(gòu)受力，甚至威脅運(yùn)營(yíng)安全。掌握新建工程實(shí)施中既有結(jié)構(gòu)變形特征，確保既有結(jié)構(gòu)正常使用，成為工程界必須解決的課題。由于此類(lèi)工程問(wèn)題的復(fù)雜性，很難通過(guò)解析方法求解，須借助數(shù)值方法。

本文對(duì)地鐵明挖區(qū)間上方的景觀水體改造工程進(jìn)行三維流固耦合數(shù)值分析，得到了既有區(qū)間結(jié)構(gòu)在不同實(shí)施階段時(shí)的變形變化規(guī)律，從而為工程可實(shí)施性提供了技術(shù)依據(jù)，并指導(dǎo)工程實(shí)施與制定監(jiān)測(cè)方案。分析思路與結(jié)果可供同類(lèi)工程借鑒。

1 工程概況

工程平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)位于人工湖下方，底板埋深約10.2 m，覆土厚度3.3 m～3.5 m，現(xiàn)狀常水位標(biāo)高1.803 m。區(qū)間實(shí)施時(shí)采用三級(jí)放坡，坡度分別為1∶1.2,1∶1.5,1∶1.5。區(qū)間與兩側(cè)車(chē)站采用20 mm寬變形縫連接。目前區(qū)間已投入使用約2年，人工湖蓄水已完成。

景觀水體改造工程擬建圓弧形擋水墻，與地鐵明挖區(qū)間垂直正交，擋水墻結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2，包含7 m寬隔水擋墻與兩側(cè)各5 m寬鋪蓋。

景觀水體改造時(shí)，需先抽干現(xiàn)狀人工湖蓄水(2.103 m深)，開(kāi)挖后施工擋水墻結(jié)構(gòu)。為減少對(duì)下方區(qū)間影響，先開(kāi)挖7 m寬隔水擋墻與外側(cè)5 m寬鋪蓋區(qū)域，并在內(nèi)側(cè)5 m寬鋪蓋范圍內(nèi)堆土(0.4 m高)；待12 m范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)澆筑后再實(shí)施內(nèi)側(cè)5 m寬鋪蓋。結(jié)構(gòu)全部完成后蓄水至現(xiàn)狀常水位。此外需考慮檢修工況(外側(cè)常水位，內(nèi)側(cè)抽干至湖底)對(duì)區(qū)間影響。

2 數(shù)值模型與參數(shù)取值

數(shù)值模型見(jiàn)圖3，模型總尺寸125 m×120 m，景觀水體改造范圍與明挖區(qū)間單元尺寸按1 m控制，邊界處單元尺寸適當(dāng)放寬至5 m。模型四個(gè)側(cè)面約束法向平動(dòng)，底面約束三方向平動(dòng)。

地鐵區(qū)間采用殼單元，擋水墻結(jié)構(gòu)采用三維實(shí)體單元，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)。由于土體經(jīng)歷多次卸荷與加荷，本構(gòu)模型須能滿(mǎn)足工程需要。

為獲得地鐵結(jié)構(gòu)實(shí)施后應(yīng)力場(chǎng)，分析中考慮了明挖區(qū)間的降水開(kāi)挖與回填過(guò)程，回填土體參數(shù)均采用①2素填土。

分析工況為：1)降水至湖底，降深2.103 m；2)開(kāi)挖結(jié)構(gòu)段1(7 m寬擋墻+外側(cè)5 m鋪蓋)土體；3)實(shí)施結(jié)構(gòu)段1混凝土結(jié)構(gòu)；4)開(kāi)挖結(jié)構(gòu)段2(內(nèi)側(cè)5 m鋪蓋)；5)實(shí)施結(jié)構(gòu)段2結(jié)構(gòu)；6)蓄水至常水位；7)檢修水位(外側(cè)常水位，內(nèi)側(cè)至湖底)。分析中采用流固耦合分析。

表1 土層參數(shù)表

3 分析結(jié)果

3.1 對(duì)地層影響

景觀水體改造工程施工導(dǎo)致土層呈整體豎向回彈，降水至湖底階段土層豎向回彈相對(duì)較均勻，并在擋水墻實(shí)施階段繼續(xù)發(fā)展，開(kāi)挖結(jié)構(gòu)段1土層時(shí)土層豎向回彈達(dá)到最大值，如圖4所示，最大回彈量為9.32 mm。

蓄水至人工湖常水位時(shí)土層豎向回彈量有所恢復(fù)，如圖5所示，擋水墻結(jié)構(gòu)回筑區(qū)域豎向壓縮，最大壓縮量6.86 mm。

檢修階段土層豎向變位見(jiàn)圖6，由于內(nèi)側(cè)水位低荷載，內(nèi)側(cè)土層呈豎向回彈，最大達(dá)6.56 mm。

3.2 對(duì)地鐵區(qū)間影響

不同工況下地鐵區(qū)間底板豎向變位見(jiàn)圖7，區(qū)間在降水至湖底階段變位最為顯著，沿區(qū)間縱向變位相對(duì)均勻。擋水墻結(jié)構(gòu)開(kāi)挖與回筑階段，地鐵區(qū)間局部相應(yīng)回彈與變位恢復(fù)。由圖7可見(jiàn)，工程實(shí)施階段，結(jié)構(gòu)段1外25 m，結(jié)構(gòu)段2外38 m區(qū)域，地鐵區(qū)間底板豎向變位變化相對(duì)頻繁。蓄水至常水位時(shí)，地鐵區(qū)間底板變位基本豎向，最大殘余變位0.51 mm。檢修階段內(nèi)側(cè)降水對(duì)地鐵區(qū)間影響較顯著，底板在內(nèi)側(cè)降水區(qū)域豎向回彈，外側(cè)區(qū)域呈向下變位特征，最大回彈量3.95 mm，最大向下變位1.19 mm。

工程實(shí)施時(shí)地鐵區(qū)間底板最大豎向變位為4.58 mm≤10 mm，線路最大相對(duì)彎曲出現(xiàn)在檢修階段，為1/8 180≤1/2 500，工程實(shí)施對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)影響整體可控。

地鐵區(qū)間彎矩承載能力與本文工程實(shí)施時(shí)彎矩包絡(luò)值對(duì)比表見(jiàn)表2，可見(jiàn)雖然工程實(shí)施導(dǎo)致地鐵區(qū)間內(nèi)力產(chǎn)生一定變化，但原設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足受力要求，不會(huì)對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。

表2 內(nèi)力對(duì)比表

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

景觀水體改造工程實(shí)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)湖水降水至湖底時(shí)，區(qū)間底板最大隆起量1.8 mm；擋水墻結(jié)構(gòu)回筑階段最大隆起量為3.5 mm；蓄水至常水位后最大沉降約2.8 mm。

工程實(shí)施階段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與本文分析基本一致，蓄水階段沉降量偏大可能與區(qū)間明挖回填固結(jié)壓縮過(guò)程疊加所致有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)文中景觀水體改造工程對(duì)地鐵區(qū)間影響分析，可得到如下結(jié)論：

1)景觀水體改造工程產(chǎn)生明顯的上方卸荷作用，從而帶動(dòng)周邊地層與地鐵區(qū)間豎向變位。

2)工程實(shí)施地鐵區(qū)間最大豎向變位4.58 mm，低于10 mm控制限值要求，地鐵區(qū)間內(nèi)力產(chǎn)生變化，但仍在結(jié)構(gòu)承載能力范圍內(nèi)，不會(huì)危及結(jié)構(gòu)安全。

3)工程實(shí)施中，軌道結(jié)構(gòu)最大變位與相對(duì)彎曲仍在運(yùn)營(yíng)允許范圍內(nèi)，不會(huì)影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全。

工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與文中結(jié)果較為一致，分析思路與方法可供同類(lèi)工程借鑒與參考。

[1] 張玉永，宋天田，周順華.軟土地層近距離上穿既有隧道變形的數(shù)值模擬[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,24(4):36-45.

[2] 何 川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工對(duì)上方已建隧道的影響[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008,41(3):92-98.

[3] SCHANZ T,VERMEER P A,BONNIER P G.Beyond 2000 in computational geotechnics,chapter formulation and verification of the hardening-soil model[M].Balkema, Potterdam,1991:281-290.

[4] Teo P L,Wong K S.Application of the Hardening Soil model in deep excavation analysis[J].The IES Journal Part A：Civil & Structural Engineering,2012,5(3)：152-165.

[5] 王衛(wèi)東，王浩然，徐中華.基坑開(kāi)挖數(shù)值分析中土體硬化模型參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012,33(8):2283-2290.

The influence analysis of landscape renovation to metro tunnels

Deng Linheng

(ChinaRailwaySiyuanSurvey&DesignGroupCo.,Ltd,Wuhan430063,China)

The paper adopts the Hardened Soil model to undertake the three-dimension fluid-structure interaction analysis, explores the influence of the landscape reconstruction on the subway section, proves the engineering implementation has the evident vertical unloading effect which can lead to the deflection between the stratum and subway sections, and indicates the maximal springback deflection is 4.58 mm in the subway sections, so its influence on the subway structure safety and operation are controllable.

HS model, subway section, vertical unloading, numerical model

1009-6825(2017)05-0086-03

2016-12-09

鄧林恒(1985- )，男，碩士，工程師

TU431

A