施工荷載對既有高鐵隧道群的影響數(shù)值分析

王學(xué)廣 鄒中權(quán)

(1.中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510080； 2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

近年來，隨著我國城市化的發(fā)展，城市交通擁堵情況日益嚴(yán)重，地鐵已成為緩解城市地面交通壓力的重要手段。然而，地鐵施工過程中容易與其他地上、地下結(jié)構(gòu)物之間發(fā)生相互影響。因此，為了確保地鐵建設(shè)順利進(jìn)行，防止發(fā)生安全風(fēng)險，需仔細(xì)研究其與鄰近建筑的影響[1-8]，并據(jù)此采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?/p>

本文以某地鐵運(yùn)營庫上跨高鐵隧道群工程為例，運(yùn)用有限元數(shù)值分析的方法，對地鐵運(yùn)用庫樁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)施工時大型施工機(jī)械作業(yè)施工荷載對既有高鐵隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響進(jìn)行了分析。

1 工程概況

某地鐵停車場運(yùn)用庫上跨三條既有高鐵隧道群，分別用高鐵1正線隧道、高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道、高鐵2隧道表示。停車場運(yùn)用庫采用房橋合一的結(jié)構(gòu)形式，上部由兩跨簡支鋼桁架橋組成，主桁最小跨度55 m，最大跨度110 m，共16座, 需要完成16 000 t鋼構(gòu)件加工拼裝、70萬顆高強(qiáng)度螺栓安裝。下部采用承臺加樁基礎(chǔ)形式，涉鐵樁基共138根，其中隧道間樁基共有24根，距離既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)凈距3 m～13.8 m，樁徑為1.6 m～2.2 m，同時近距離跨越三條高鐵隧道群屬全國首例，施工難度大。地質(zhì)情況為素填土、碎石土、花崗巖。為最大程度降低對樁基、桁架施工對既有高鐵隧道群的影響，加快施工進(jìn)度，減少擾動，確保既有高鐵隧道安全，保證高鐵行車安全，樁基采用全回轉(zhuǎn)液壓鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)大型施工機(jī)械施工，桁架現(xiàn)場焊接拼時采用履帶吊車吊裝、頂推滑移施工。

2 施工荷載

涉鐵區(qū)域施工荷載統(tǒng)計見表1。其中基礎(chǔ)施工階段，荷載較大的工程機(jī)械有全回轉(zhuǎn)液壓機(jī)，位于樁頂正上方，履帶吊車，涉及整個區(qū)域，另外旋挖鉆機(jī)、汽車吊、混凝土輸送泵及鋼結(jié)構(gòu)自重均較小，可以不考慮其影響。上部結(jié)構(gòu)施工時，最大荷載為履帶吊車，荷重3 500 kN，涉及整個區(qū)域，因此重點分析上部結(jié)構(gòu)施工時履帶吊車荷載的影響。

高鐵隧道1的埋深較淺，當(dāng)施工機(jī)械(履帶吊車)位于隧道正上方時，對隧道的影響最大。本次分析選取圖1所示的A，B，C三處作為施工機(jī)械荷載的作用位置，分析大型施工荷載對高鐵的影響。A處位于高鐵2隧道正上方、B處位于高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道一側(cè)、C處位于高鐵1正線隧道正上方。

表1 涉鐵區(qū)域施工荷載統(tǒng)計

主要的施工荷載為履帶吊車的重載作用，其重3 500 kN，作用面積21.6 m2，換算為作用壓強(qiáng)為162 kPa，考慮到其他機(jī)械的影響及安全儲備，施工荷載采用均布荷載200 kPa加載計算。

3 模型的建立

為分析施工荷載對既有高鐵隧道群的影響，根據(jù)設(shè)計圖紙，建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。施工機(jī)械荷載作用位置平面圖見圖1，模型整體示意圖見圖2。模型大小為400 m×120 m×80 m，單元數(shù)約20萬，節(jié)點數(shù)約21萬。模型采用固定邊界條件。

4 計算成果及分析

4.1 A處施工機(jī)械荷載作用下高鐵1聯(lián)絡(luò)線隧道變形

如圖3～圖6所示，A處施工機(jī)械荷載作用下，下部土體產(chǎn)生的最大土體變形為17.24 mm(由于填土承載力較低，地基已接近破壞)，高鐵隧道襯砌產(chǎn)生的最大變形為1.15 mm，位于隧道拱頂，兩腰的最大變形為0.6 mm～0.8 mm，拱底的變形約為0.3 mm，最大隧道橫向方向的變形小于0.2 mm。

4.2 B處施工機(jī)械荷載作用下高鐵1正線隧道變形

如圖7～圖10所示，B處施工機(jī)械荷載作用下，下部土體產(chǎn)生的最大土體變形為12.67 mm(由于填土承載力較低，已接近破壞)，高鐵隧道襯砌產(chǎn)生的最大沉降變形為1.34 mm，位于隧道拱頂偏左處，左腰的最大變形為1.1 mm，右腰最大變形為0.6 mm，拱底的沉降變形約為0.4 mm，最大隧道橫向方向的變形為0.34 mm。

4.3 C處施工機(jī)械荷載作用下高鐵1正線隧道變形

如圖11～圖14所示，C處施工機(jī)械荷載作用下，下部土體產(chǎn)生的最大土體變形為15.57 mm(由于填土承載力不足，已接近破壞)，高鐵隧道襯砌產(chǎn)生的最大沉降變形為1.76 mm，位于隧道拱頂，兩腰的最大變形為0.6 mm～0.8 mm，拱底的沉降變形約為0.2 mm，最大橫向變形0.38 mm。匯總A，B，C三處的沉降變形量，見表2，從表2可知，當(dāng)施工機(jī)械位于高鐵隧道正線正上方時變形最大，最大值為1.46 mm。

表2 施工機(jī)械荷載作用下隧道襯砌變形匯總表 mm

5 結(jié)論

1)由于素填土結(jié)構(gòu)松散，承載力低，重型施工機(jī)械荷載作用下，地基土體接近破壞，土體產(chǎn)生很大變形，建議施工前對填土地基進(jìn)行注漿加固處理。

2)在最不利施工荷載作用下(荷載作用于高鐵隧道正上方)，高鐵1隧道正線隧道拱頂最大變形約1.76 mm，高鐵1隧道聯(lián)絡(luò)線隧道拱頂最大變形約1.15 mm，施工荷載對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但數(shù)值滿足規(guī)范[9,10]，可控。