旁側(cè)堆土卸載對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響分析

潘學(xué)凱，耿寧寧

（1.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

在城市建設(shè)中，經(jīng)常遇到城市軌道交通旁側(cè)或上側(cè)地塊堆土卸載。土體卸荷必然引起周圍地層移動(dòng)，導(dǎo)致位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化，對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)有著顯著影響，因此掌握卸載過(guò)程中既有軌道交通結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力變化對(duì)軌道交通保護(hù)是至關(guān)重要的。

本文結(jié)合合肥軌道交通4號(hào)線旁側(cè)地塊堆土卸載工程，利用有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料相結(jié)合的方法，構(gòu)建堆土卸載施工和軌道交通結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。基于該數(shù)值模型，研究旁側(cè)堆土卸載對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響分析，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)論證計(jì)算結(jié)果。

1 工程背景

1.1 工程概述

擬建場(chǎng)地內(nèi)位于既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)北側(cè)，存有大量堆土，均為雜填土。堆土最高約10m，體積約5.9萬(wàn)方，距離既有軌道交通結(jié)構(gòu)最小凈距為4.5m。擬建場(chǎng)地內(nèi)堆土與既有軌道交通區(qū)間空間位置關(guān)系如圖1。

圖1 擬建場(chǎng)地堆土與區(qū)間隧道位置關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)擬建項(xiàng)目詳勘報(bào)告及軌道交通詳勘報(bào)告，擬建場(chǎng)地第四紀(jì)地貌型態(tài)屬二級(jí)階地地貌單元，場(chǎng)地大部地段為附近工地堆土，最高堆土10m左右，高差較大?？辈炱陂g勘探深度范圍內(nèi)揭露場(chǎng)地內(nèi)地下水類型主要為上層滯水，主要含水層為①層素填土，主要受大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給；場(chǎng)地內(nèi)土層主要有①層填土、②層黏土、③層粉質(zhì)黏土、④層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑤層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。其土層物理學(xué)參數(shù)如表1所示。

土層物理學(xué)參數(shù) 表1

1.3 卸荷方案

堆土卸載施工時(shí)，采用分層分塊開(kāi)挖，根據(jù)場(chǎng)地條件由東往西順序開(kāi)挖，每塊開(kāi)挖寬度不大于20m，分層開(kāi)挖厚度不大于4m，以減小區(qū)間上浮變化速率過(guò)快的風(fēng)險(xiǎn)。

2 既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查

既有區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間結(jié)構(gòu)直徑6m，線間距16m，區(qū)間埋深約15.5m～18.2m。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查資料，該段盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)管片拼裝良好，無(wú)裂縫及滲漏水情況發(fā)生。盾構(gòu)管片出廠檢測(cè)報(bào)告顯示，該段區(qū)間左線與右線盾構(gòu)管片檢測(cè)合格，滿足設(shè)計(jì)要求，該段區(qū)間隧道施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定，處于安全可控范圍內(nèi)。

3 堆土卸載施工的三維數(shù)值計(jì)算模擬與分析

3.1 有限三維數(shù)值模型

為了較準(zhǔn)確地反映基坑施工對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加變形影響，充分考慮時(shí)空因素，計(jì)算分析采用了三維有限元分析方法，考慮土體的非線性因素，模擬堆土卸載與既有軌道交通結(jié)構(gòu)間的相互影響。根據(jù)圣維南原理，模型在縱向和橫向應(yīng)取堆土高度的2～3倍。計(jì)算時(shí)的邊界條件為：x軸方向采用x向約束，y軸方向采用y向約束，底部采用豎向約束，上表面為自由面，有限元模型如圖2。

圖2 有限元模型

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)施工先后次序，計(jì)算中應(yīng)包括如下計(jì)算工況：

①工況1：初始地應(yīng)力平衡，位移清零；

②工況2：施作軌道交通結(jié)構(gòu)，位移清零；

③工況3～工況6：分段開(kāi)挖第一層堆土；

④工況7～工況10：分段開(kāi)挖第二層堆土；

⑤工況11～工況14：分段開(kāi)挖第三層堆土。

3.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，旁側(cè)堆土卸載施工對(duì)既有軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)位移具有顯著影響。堆土卸載完成后，累計(jì)豎向位移達(dá)到最大值，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 區(qū)間隧道位移（工況14）

由數(shù)值模擬結(jié)果知，受旁側(cè)堆土卸載的影響，臨近區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)局部會(huì)發(fā)生水平及豎向位移。其中區(qū)間隧道最大水平位移約3.11mm，最大隆起量約3.29mm，隧道變形的最小曲率半徑為5.1×10。滿足軌道交通保護(hù)的相關(guān)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

旁側(cè)堆土卸載過(guò)程中，既有軌道交通結(jié)構(gòu)變形量如表2所示。

堆土卸載完成后軌道交通結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 表2

結(jié)果顯示，數(shù)值模擬得到的理論值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較大。這是因?yàn)榈貙咏Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是地層結(jié)構(gòu)多變使得地層參數(shù)的選擇出現(xiàn)一定的偏差，引起與實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差。因此，實(shí)際工程中，可以參考理論計(jì)算值，但一定要注重現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

5 結(jié)語(yǔ)

①在充分考慮堆土卸載方案、隧道初始應(yīng)力與地層力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Midas GTS對(duì)旁側(cè)堆土卸載施工影響既有軌道交通結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有一定差異，因此，現(xiàn)場(chǎng)須注重實(shí)際監(jiān)測(cè)值，保證軌道交通結(jié)構(gòu)的安全。

②利用Midas/GTS有限元軟件進(jìn)行三維模擬計(jì)算，所得理論結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值趨勢(shì)相同，實(shí)際工程中，可利用數(shù)值模擬結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

③根據(jù)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，堆土卸載施工時(shí)，采用分塊分層開(kāi)挖，嚴(yán)格控制每塊開(kāi)挖寬度、開(kāi)挖深度，以減小區(qū)間上浮變化速率過(guò)快的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所示，針對(duì)旁側(cè)堆土卸載對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，可以通過(guò)建立三維有限元模型進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)位移與內(nèi)力的計(jì)算分析，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，以確保旁側(cè)堆土卸載施工的影響滿足軌道交通結(jié)構(gòu)的保護(hù)要求。