市政道路下穿對(duì)機(jī)場(chǎng)快軌U形槽變形的影響分析

睢忠強(qiáng),汪小慶,王 凱,楊松林,劉建友

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司城市軌道交通設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

新建地下工程施工不可避免地對(duì)既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，影響既有線的運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重時(shí)可能造成既有線結(jié)構(gòu)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(shè)管理有限公司在環(huán)境安全分級(jí)中，將下穿既有軌道線路(含鐵路)的新建線路定為特級(jí)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。北京新機(jī)場(chǎng)線位于北京南部三環(huán)以外區(qū)域，是一條服務(wù)于北京新機(jī)場(chǎng)的專線，線路全長(zhǎng)41 km[3]，其中地下段長(zhǎng)約23.7 km，高架段長(zhǎng)約17.7 km[4]，遠(yuǎn)大于常規(guī)地鐵[5]，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，包含U形槽113 m、路基1 390 m，且路基和U形槽結(jié)構(gòu)共構(gòu)，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為160 km/h[6]，交叉施工多、難度大[7]，這就對(duì)線路的安全運(yùn)營(yíng)及次干一路穿越工程的控制指標(biāo)提出了嚴(yán)格的要求。

眾多學(xué)者[8-12]研究了穿越工程對(duì)既有線的影響，周順華[13]將地下穿越施工變形分為絕對(duì)量控制和相對(duì)量控制，并給出了具體的控制方法，同時(shí)指出，變形控制的難易程度取決于地層的工程和力學(xué)性質(zhì)。韓煊[14]基于剛度修正法的基本思路和對(duì)實(shí)測(cè)既有線隧道變形特征的分析，從國(guó)內(nèi)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(jié)構(gòu)剛度對(duì)其變形特征的影響，提出適用于預(yù)測(cè)既有線在新建隧道下穿影響下產(chǎn)生沉降的簡(jiǎn)便分析方法。王占生[15]結(jié)合北京地鐵5號(hào)線崇文門站下穿既有地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道工程，通過(guò)有限元分析方法等進(jìn)行新建隧道施工對(duì)既有地鐵影響的預(yù)測(cè)分析，將主要控制標(biāo)準(zhǔn)按施工步序進(jìn)行分解，實(shí)施控制標(biāo)準(zhǔn)的分階段控制，確保既有地鐵的正常安全運(yùn)營(yíng)。張弢[16]對(duì)南水北調(diào)東干渠輸水隧洞穿越北京軌道交通機(jī)場(chǎng)線方案進(jìn)行評(píng)估分析研究，計(jì)算選用ANSYS軟件，從U形槽結(jié)構(gòu)變形、既有地鐵軌道結(jié)構(gòu)變形等方面，對(duì)3種穿越方案進(jìn)行對(duì)比，采用變形數(shù)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(yùn)用ANSYS軟件模擬大盾構(gòu)隧道在不同位置穿越機(jī)場(chǎng)線的施工過(guò)程，分析既有高架橋結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果，提出盾構(gòu)隧道與橋樁之間的凈距是盾構(gòu)施工過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)變形的主要因素。

目前大多數(shù)的研究主要集中在穿越工程對(duì)既有地鐵隧道區(qū)間影響[18-22]，對(duì)機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)快軌工程為例，對(duì)市政道路下穿機(jī)場(chǎng)快軌U形槽沉降控制進(jìn)行研究，分析市政道路下穿機(jī)場(chǎng)快軌的變形影響規(guī)律及安全性，以確保市政道路施工及機(jī)場(chǎng)快軌U形槽運(yùn)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(jī)場(chǎng)快軌主線為路基形式，進(jìn)出場(chǎng)線為U形槽形式，次干一路下穿段位于新機(jī)場(chǎng)快軌路基和2個(gè)U形槽下方，與新機(jī)場(chǎng)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(jié)構(gòu)頂距進(jìn)出場(chǎng)線U形槽結(jié)構(gòu)底板最近處約0.9 m。次干一路下穿段在下穿位置東側(cè)開(kāi)挖基坑，基坑支護(hù)采用排樁+錨索的形式。基坑開(kāi)挖完成后開(kāi)始下穿施工，如圖2所示。

圖1 次干一路下穿段與新機(jī)場(chǎng)快軌平面關(guān)系

圖2 次干一路下穿段與機(jī)場(chǎng)快軌剖面關(guān)系

1.2 地質(zhì)概況

地質(zhì)勘察報(bào)告揭示，穿越機(jī)場(chǎng)線段地層從上到下依次為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、細(xì)中砂，隧道洞身位置為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等細(xì)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(jī)場(chǎng)快軌U形槽變形控制值

為保證施工期間機(jī)場(chǎng)快軌既有線的日后正常運(yùn)營(yíng)，既有線U形槽結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)結(jié)構(gòu)沉降<4 mm，結(jié)構(gòu)上浮<4 mm，結(jié)構(gòu)水平位移<4 mm；

(2)變化速率<1 mm/d。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型參數(shù)

采用Midas GTS NX有限元數(shù)值分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算，參照實(shí)際施工時(shí)的相關(guān)參數(shù)，建立高70 m，寬度為115 m，縱向長(zhǎng)度85 m的計(jì)算模型，隧道埋深10.6 m。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值分析模型

模型采用實(shí)體單元模擬地層土體，地層土體采用修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[23]。U形槽結(jié)構(gòu)、路基板、隧道襯砌和管棚均采用板單元模擬，樁采用梁?jiǎn)卧M，U形槽、路基板、隧道及樁考慮在彈性范圍內(nèi)工作，采用線彈性本構(gòu)[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(jié)構(gòu)材料參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 土層材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

各工況模擬情況的說(shuō)明如表4所示。

3 結(jié)果分析

3.1 初始狀態(tài)模擬

施工過(guò)程中土體開(kāi)挖后地應(yīng)力釋放會(huì)造成土體卸載作用。計(jì)算基坑、隧道開(kāi)挖施工對(duì)既有新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基的變形，首先需要地應(yīng)力平衡計(jì)算，獲得初始地應(yīng)力，之后施做路槽結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖路槽，計(jì)算完畢后，為得到施工過(guò)程對(duì)新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽產(chǎn)生的附加影響，保留計(jì)算所得的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)將位移清零，以此為后續(xù)次干一路施工階段的初始狀態(tài)，如圖4所示。

表4 計(jì)算工況

圖4 模型初始豎向地應(yīng)力(單位：10-3MPa)

3.2 地層位移分析(圖5)

圖5 施工結(jié)束后土層位移云圖

從圖5可以看出，施工結(jié)束后，土層位移最大的位置均為基坑和隧道開(kāi)挖區(qū)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(shì)，兩側(cè)均發(fā)生沿開(kāi)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(fā)生了較大的隆起，最大達(dá)到18.739 mm，四周則發(fā)生一定的沉降，呈現(xiàn)出明顯的沉降槽規(guī)律，而隧道開(kāi)挖部分整體表現(xiàn)為沉降，達(dá)到了15.031 mm。

3.3 結(jié)構(gòu)位移分析(圖6)

圖6 施工結(jié)束后樁的位移云圖

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

施工結(jié)束后，新機(jī)場(chǎng)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(yuǎn)近表現(xiàn)出相反的規(guī)律：臨近基坑一側(cè)的U形槽發(fā)生傾向基坑的位移，遠(yuǎn)離基坑一側(cè)的U形槽發(fā)生傾向隧道開(kāi)挖方向的位移，整體上發(fā)生傾向基坑方向的位移；豎向位移表現(xiàn)出相同的規(guī)律：整體上均發(fā)生了豎向沉降，其中臨近隧道開(kāi)挖方向一側(cè)的U形槽沉降2.978 mm，明顯大于臨近基坑一側(cè)的U形槽沉降1.322 mm，說(shuō)明基坑開(kāi)挖卸載的作用明顯。根據(jù)GB50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，變形在安全范圍內(nèi)。

圖7 施工結(jié)束后U形槽位移云圖

圖8是新機(jī)場(chǎng)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(biāo)為施工工況，縱坐標(biāo)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(fā)生了向基坑開(kāi)挖方向的位移，其中左側(cè)U形槽和路基板的變化幅度相一致，而右側(cè)U形槽自基坑開(kāi)挖結(jié)束后隨隧道開(kāi)挖，出現(xiàn)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(jī)場(chǎng)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(biāo)為施工工況，縱坐標(biāo)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(guī)律相同，其中左側(cè)U形槽和路基板整個(gè)階段都發(fā)生了沉降，而右側(cè)U形槽則發(fā)生了一定程度的隆起，最終表現(xiàn)為沉降。

圖9 U形槽和路基板豎向位移

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖及隧道穿越前和穿越后的內(nèi)力分布規(guī)律相同，內(nèi)力變化幅度較小。新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽結(jié)構(gòu)和路基結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力分別出現(xiàn)在工況9、工況11，具體驗(yàn)算數(shù)值見(jiàn)表5、表6。

表5 下穿段穿越前和穿越后結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

表6 下穿段穿越前和穿越后結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算

由表5、表6可見(jiàn)，新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基結(jié)構(gòu)在下穿段開(kāi)挖前后的承載力和裂縫寬度值均滿足控制要求。

4 結(jié)論

結(jié)合北京次干一路下穿新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽建設(shè)，通過(guò)對(duì)市政道路穿越機(jī)場(chǎng)快軌施工擾動(dòng)下的U形槽沉降數(shù)值計(jì)算，得到以下結(jié)論。

(1)在基坑及隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于基坑的卸載作用對(duì)隧道沉降槽的影響，土層的位移產(chǎn)生了類似板的翹曲效應(yīng)，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(kāi)挖過(guò)程引起新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基發(fā)生沉降變形，新機(jī)場(chǎng)快軌x方向(垂直新機(jī)場(chǎng)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(xiàn)為豎向沉降，沉降值為2.978 mm。

(3)采用管棚支護(hù)施工方案，基坑、隧道施工及結(jié)構(gòu)施做引起的荷載作用對(duì)機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響，但影響較小，U形槽和路基在下穿段開(kāi)挖前后的承載力和裂縫寬度值均滿足控制要求。