新建人行天橋上跨既有隧道的數(shù)值模擬分析

李石磊

重慶交通大學土木工程學院，中國·重慶 400074

論文以重慶市某人行天橋上跨軌道交通五號線工程為研究對象，運用Midas 軟件建立相應(yīng)的力學模型，模擬了擬建人行天橋在施工和運營過程中對鄰近既有軌道的影響，以評估擬建人行天橋施工的可行性和安全性。結(jié)果表明：擬建項目建設(shè)及運營使用過程所引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形在可控范圍內(nèi)，也不會改變原區(qū)間隧道深埋受力狀態(tài)。

人行天橋；既有隧道；數(shù)值模擬；評估

1 引言

近幾年，中國城市軌道交通得到了快速發(fā)展，軌道交通也愈加網(wǎng)絡(luò)化，在城市土地資源有限的情況下，必然會對既有隧道周圍的土地和空間進行開發(fā)利用。在既有隧道附近修建橋梁、道路及其他建筑時，會使隧道區(qū)域受力平衡狀態(tài)打破，應(yīng)力重新分布，引起隧道產(chǎn)生內(nèi)力變化和變形[1-3]。同時，由于地鐵運營的重要性，運營期間的地鐵隧道對結(jié)構(gòu)變形如沉降、水平位移等控制指標要求極其嚴格[4-6]。這些問題都是目前亟待解決的問題。

論文以重慶市兩江新區(qū)某人行天橋上跨軌道交通五號線工程為研究對象，采用MIDAS/GTS 有限元軟件建立土與結(jié)構(gòu)共同作用的有限元模型，數(shù)值模擬分析了軌道控制保護范圍內(nèi)某人形天橋施工、運營對軌道交通五號線的影響，對方案的可行性和安全性進行了評估。

2 工程概況

項目建設(shè)區(qū)域位于重慶市北部新區(qū)星光大道，柏林公園附近，擬建工程沿線地貌屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌，經(jīng)周邊房屋建設(shè)的開挖回填，現(xiàn)狀地形起伏小，地形平坦。場區(qū)內(nèi)地層有第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系全新統(tǒng)坡殘積層、侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖及砂巖。場區(qū)地下水可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水，擬建天橋平面位置如圖1所示。

圖1 擬建人行天橋平面位置圖

擬建人行天橋位于已運營軌道5 號線幸福廣場站至冉家壩站區(qū)間軌道保護范圍內(nèi)。軌道右線外邊線距P1 橋墩基礎(chǔ)最小水平距離8.7m，軌道左線外邊線距P2 橋墩基礎(chǔ)最小水平距離0.89m，X2 橋墩位于軌道左線結(jié)構(gòu)上方，基礎(chǔ)與軌道結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 擬建人行天橋與軌道平面位置關(guān)系

3 計算軟件與模型參數(shù)

3.1 軟件簡介

本次評估分析選取大型通用有限元軟件MIDAS/GTS 作為計算平臺。MIDAS/GTS 主要針對巖土隧道領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析所需要的功能直接開發(fā)的程序，是通用有限元程序與巖土及隧道專業(yè)技術(shù)的結(jié)合[7]。MIDAS/GTS 提供了各種結(jié)構(gòu)單元來模擬結(jié)構(gòu)部分的作用，包括桁架單元、梁單元、樁單元、板單元以及平面應(yīng)力單元等結(jié)構(gòu)單元。通過這些單元的設(shè)置，可以模擬各種巖土分析中的結(jié)構(gòu)部分[8]。

3.2 本構(gòu)模型

本次計算中，巖土體材料采用M-C 模型。M-C 本構(gòu)模型是模擬巖土材料最常用的一種模型，該模型包含剪切和拉伸兩個模型破壞準則，分別對應(yīng)不同的流動法則，非常適合模擬巖土材料的應(yīng)力-應(yīng)變特征。而區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)等采用彈性本構(gòu)方程。

4 二維有限元計算評估

4.1 1-1 剖面計算模型

為了確保模型有足夠的計算精度并盡量減少收斂時間，本次計算對模型范圍作出了一定的限定，模型尺寸為104m×68m，計算模型如圖3所示。計算中，將天橋荷載按均布荷載施加在橋墩上，由于二維平面應(yīng)變模型自身限制，使施加在橋墩上荷載較實際荷載大。

圖3 網(wǎng)格模型

4.2 計算步序

根據(jù)實際施工步序，本次計算主要施工步序如下：

（1）初始應(yīng)力計算，位移清零。

（2）地鐵隧道開挖及二襯施工，應(yīng)力、位移計算。

（3）位移場清零，應(yīng)力計算。

（4）基礎(chǔ)基坑開挖，應(yīng)力、位移計算。

（5）橋墩及擴大基礎(chǔ)施工，應(yīng)力、位移計算。

（6）施加荷載，應(yīng)力、位移計算。

軌道結(jié)構(gòu)位于巖層中且為已運營線路，因此可認為天橋建設(shè)時軌道結(jié)構(gòu)及圍巖已完成變形，因此在計算分析步序第3步進行位移清零，旨在模擬天橋?qū)嵤┘笆褂脤壍雷冃斡绊懀撕喕挥绊懹嬎憬Y(jié)果。

5 計算結(jié)果與分析

5.1 圍巖變形

圖4、5 分別為剖面1-1 圍巖橫向變形云圖及豎向變形云圖。

圖4 地層橫向變形云圖

圖5 地層豎向變形云圖

從圖中可以看出，天橋施工完成投入使用后地層變形最大，最大橫向變形為0.5mm，最大豎向變形為5.65mm。地層變形主要發(fā)生在兩側(cè)基坑頂部；對于軌道區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，天橋施工及運營使用時其變形變化不大，表明天橋施工及使用階段對軌道區(qū)間周邊巖體的影響較小。

5.2 軌道結(jié)構(gòu)變形

圖6、7 分別為天橋基礎(chǔ)開挖階段、施工完成使用階段，隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向及豎向變形云圖。

圖6 隧道襯砌橫向變形云圖

圖7 隧道襯砌豎向變形云圖

基礎(chǔ)基坑開挖時軌道結(jié)構(gòu)最大橫向變形為0.009m，位于左線區(qū)間隧道側(cè)壁，方向向洞內(nèi)收斂。最大豎向變形為0.08m，位于左線區(qū)間隧道拱頂，方向為向上隆起。天橋建成使用時軌道結(jié)構(gòu)最大橫向變形為0.14mm 左線區(qū)間隧道側(cè)壁，方向指向洞外。最大豎向變形為1.1mm，位于右線區(qū)間隧道拱頂上，方向為豎向向下。項目建設(shè)及建成投入使用，區(qū)間左線仰拱最大豎向變形為0.77mm，區(qū)間右線仰拱最大豎向變形為0.99mm。天橋在建設(shè)及建成使用中，對已運營軌道結(jié)構(gòu)變形影響很小，均小于10mm，仰拱豎向變形均小于4mm。

5.3 軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

圖8 圍巖塑性變形云圖

由圖8可知，軌道隧道建設(shè)完成時，隧道拱腳位置有塑性變形產(chǎn)生。天橋項目建設(shè)完成時，隧道周圍塑性變形無擴散現(xiàn)象。由此可判斷，天橋建設(shè)不影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

通過數(shù)值模擬分析擬建人行天橋施工、運營對軌道交通5 號線的影響，分析結(jié)果表明：

（1）擬建項目建設(shè)及建成使用所引起區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大豎向變形為1.1mm，最大橫向變形為0.14mm，均小于10mm，仰拱最大豎向變形為0.99mm，均小于4mm，滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》中軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標，因此擬建天橋建設(shè)及建成使用不影響軌道結(jié)構(gòu)正常運營。

（2）擬建項目建設(shè)及建成使用均不改變原區(qū)間隧道深埋受力狀態(tài)，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)仍滿足原設(shè)計要求，因此項目建設(shè)及建成使用不影響軌道結(jié)構(gòu)安全。