市政工程對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

李晏川LI Yan-chuan

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100072）

0 引言

我國(guó)的人口數(shù)量眾多、城市人口密度大，隨著城市的快速發(fā)展，地鐵憑借自身大運(yùn)量，速度快，小干擾，低能耗等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)中逐漸成為主流。我國(guó)地鐵經(jīng)過多年探索，在一定程度上逐步與商業(yè)性質(zhì)的地下街道結(jié)合演變?yōu)楣δ荦R全的綜合體。目前新建的地鐵系統(tǒng)會(huì)在車站與大型公共活動(dòng)中心預(yù)留附屬的連接通道，在主體結(jié)構(gòu)、區(qū)間隧道施工完成后或線路通車運(yùn)營(yíng)后再進(jìn)行施工，這種附屬結(jié)構(gòu)后期施工的方式會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)造成一定影響。王國(guó)波[1]研究了軟土地鐵車站結(jié)構(gòu)三維地震響應(yīng)計(jì)算理論與方法；劉鑫[2]等人進(jìn)行了破口施工對(duì)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全性影響的數(shù)值模擬分析；王志杰與許瑞寧[3]在基坑開挖對(duì)緊貼既有地鐵車站的影響進(jìn)行了分析；時(shí)曉貝[4]對(duì)臨近地鐵的深基坑開挖方案進(jìn)行了研究；本文基于以上學(xué)者的研究與論述，建立了包含市政通道、車站結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，分析了新建市政通道全過程施工周期對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)及附屬出入口的位移變化規(guī)律，并給出了一些保護(hù)監(jiān)測(cè)措施及建議。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

常州地鐵1 號(hào)線聚湖路站位于花園街與聚湖路交叉口，跨路口沿花園街南北向設(shè)置，武進(jìn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)位于花園街與聚湖路路交叉口西南象限，聚湖路站3 號(hào)出入口設(shè)置于武進(jìn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)東北側(cè)，如圖1 所示。目前車站主體及附屬土建工程已施工完成。

圖1 武進(jìn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)與聚湖路站3 號(hào)出入口連通總平面示意圖

1.2 評(píng)估項(xiàng)目概況

新建聯(lián)通口計(jì)劃設(shè)置在花園街與聚湖路路交叉口西南象限處，垂直花園街方向，位于聚湖路站3 號(hào)出入口通道與武進(jìn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)地下室之間。本次評(píng)估范圍內(nèi)，武進(jìn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)距3 號(hào)出入口凈距約為21.8m，聯(lián)通口連接武進(jìn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)與3 號(hào)出入口，位于地鐵保護(hù)區(qū)范圍。

2 三維計(jì)算分析

2.1 評(píng)估方法

新增聯(lián)通口工程，考慮到施工引起的地鐵線路結(jié)構(gòu)沉降與地層關(guān)系密切，因此采用地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行變形分析。目前，可用于地層-結(jié)構(gòu)模型分析的大型計(jì)算軟件有ANSYS、Midas、FLAC 等。本次計(jì)算采用Midas 軟件，模擬水系聯(lián)通管線明挖施工過程對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)及軌道的安全性影響，提供既有結(jié)構(gòu)的變形分析結(jié)果，評(píng)估地鐵車站結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的安全性，并根據(jù)行車安全的要求，綜合各種影響因素，提出管線施工時(shí)，地鐵車站結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)和保護(hù)措施。

2.2 計(jì)算模型

考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取通道工程與地鐵結(jié)構(gòu)的有效影響范圍，本次數(shù)值計(jì)算中取長(zhǎng)136.822m，寬117.688m，自地表60m 厚的土體作為考察范圍。重點(diǎn)考察地鐵結(jié)構(gòu)由于施工產(chǎn)生的位移及受力情況。三維有限元計(jì)算模型如圖2 所示，三維有限元計(jì)算模型中基坑與地鐵結(jié)構(gòu)、地下室結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置關(guān)系如圖3 所示。

圖2 三維有限元計(jì)算模型圖

圖3 基坑與地鐵結(jié)構(gòu)相互位置關(guān)系

本次計(jì)算模型中周圍土體采用實(shí)體單元，不同的土層采用不同的材料模擬，邊界條件的選取時(shí)除了頂面取為自由邊界，其他面均采取法向約束。地下室結(jié)構(gòu)、車站結(jié)構(gòu)、區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、出入口結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬，地鐵車站中柱和地下室柱均采用梁?jiǎn)卧M，通道工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，支撐采用梁?jiǎn)卧M。

模型計(jì)算分析采用巖土工程三維有限元軟件Midas GTS NX，計(jì)算原則如下：

①假定圍巖各層都是各向同性連續(xù)介質(zhì)，土體采用Mohr-Coulomb 模型；

②假定地表和各土層均成層均質(zhì)水平分布；

③地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化；

④初始平衡按照將重力加速度加到模型上，由程序自動(dòng)獲得；

⑤不考慮地下水在開挖過程中的影響；

⑥計(jì)算建模時(shí)，對(duì)基坑工程范圍、地鐵結(jié)構(gòu)范圍及周邊關(guān)心的部位網(wǎng)格剖分加密。

計(jì)算荷載考慮以下方面：

①地鐵既有結(jié)構(gòu)自重；

②土體豎向自重；

③地面超載20kPa；

④其他荷載。

2.3 計(jì)算參數(shù)

本次分析的土層參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告，并無(wú)直接提供彈性模量值，本項(xiàng)目根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的壓縮模量平均值ES和變形模量E0，在初定彈性模量E=（3～5）ES的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，得出各土層彈性模量。

2.4 施工工序

本次評(píng)估采分層施工方式模擬，計(jì)算模型中的施工工序采用7 步模擬，計(jì)算步與施工條件如表1 所示。

表1 計(jì)算模擬工序

2.5 計(jì)算結(jié)果

2.5.1 車站計(jì)算結(jié)果

通過建模分析，得出不同施工階段下車站結(jié)構(gòu)最大位移結(jié)果，總結(jié)于表2 中；車站結(jié)構(gòu)總位移最大值絕對(duì)值隨施工變化情況如圖4 所示；開挖到最深處的車站結(jié)構(gòu)總位移云圖如圖5 所示。

圖4 車站結(jié)構(gòu)總位移最大值絕對(duì)值隨施工步變化曲線

圖5 三層開挖施工后車站結(jié)構(gòu)總位移云圖

表2 不同施工階段下車站結(jié)構(gòu)最大位移結(jié)果

依據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：①聯(lián)通口通道開挖后，對(duì)出入口的影響主要體現(xiàn)在豎向位移上。②聯(lián)通口通道施工時(shí)，隨著開挖深度的增加，車站結(jié)構(gòu)位移逐漸增大，開挖至坑底時(shí)位移達(dá)到最大，總位移極值約為5.147mm，豎向位移極值約為5.017mm，結(jié)構(gòu)施工覆土回填后總位移和豎向位移有所減小。

2.5.2 出入口計(jì)算結(jié)果

通過建模分析，得出不同施工階段下出入口結(jié)構(gòu)最大位移結(jié)果，總結(jié)于表3 中；出入口結(jié)構(gòu)總位移最大值絕對(duì)值、豎向位移最大值絕對(duì)值、X 方向位移最大值絕對(duì)值、Y方向位移最大值絕對(duì)值隨施工步變化情況分別如圖6-圖9 所示；開挖到最深處的出入口結(jié)構(gòu)總位移云圖如圖10所示。

圖6 出入口結(jié)構(gòu)總位移最大值變化曲線

圖7 出入口結(jié)構(gòu)豎向位移最大值變化曲線

圖8 X 方向位移最大值變化曲線

圖9 Y 方向位移最大值變化曲線

圖10 三層開挖施工后出入口結(jié)構(gòu)總位移云圖

表3 不同施工階段下出入口結(jié)構(gòu)最大位移結(jié)果

依據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：①聯(lián)通口通道開挖后，對(duì)出入口的影響主要體現(xiàn)在豎向位移上，水平位移小于豎向位移，Y 向水平位移略大于X 向水平位移。②聯(lián)通口通道施工時(shí)，隨著開挖深度的增加，車站結(jié)構(gòu)位移逐漸增大，開挖至坑底時(shí)位移達(dá)到最大，總位移極值約為7.422mm，豎向位移極值約為7.354mm，結(jié)構(gòu)施工覆土回填后總位移和豎向位移有所減小。③當(dāng)附屬通道開洞時(shí)，出入口位移發(fā)生較大變化，產(chǎn)生較大豎向位移。

3 結(jié)論

本次評(píng)估采用理論分析、基坑驗(yàn)算、三維有限元分析對(duì)評(píng)估項(xiàng)目對(duì)常州市軌道交通1 號(hào)線聚湖路站與武進(jìn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)連接通道對(duì)聚湖路站及3 號(hào)出入口的影響進(jìn)行了分析。綜合分析結(jié)果，可以得出以下主要結(jié)論：

①根據(jù)計(jì)算，常州市軌道交通1 號(hào)線聚湖路站與武進(jìn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)連接通道對(duì)聚湖路站及3 號(hào)出入口存在一定的影響，引起既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變形，產(chǎn)生的影響處于可控范圍內(nèi)，均滿足控制指標(biāo)要求。

②車站結(jié)構(gòu)、出入口通道變形主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的豎向位移。

③附屬工程基坑開挖過程對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響較大，位移集中產(chǎn)生于此階段，因此，開挖階段是監(jiān)測(cè)控制的關(guān)鍵。