立交匝道對(duì)地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬研究

于 明

(中鐵四局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，天津 300163)

0 引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)了越來(lái)越多的交通問(wèn)題，尤其是城市內(nèi)部交通[1-3]。地鐵系統(tǒng)、立交系統(tǒng)是解決城市內(nèi)部交通問(wèn)題的重要基礎(chǔ)設(shè)施[4-5]。伴隨著城市的發(fā)展，這兩大基礎(chǔ)交通設(shè)施也在各大城市逐漸增多；然而，地鐵系統(tǒng)與立交系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)就十分復(fù)雜，加之二者在有限的城市空間中難免相互影響，解決這兩種重要交通系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相互不利影響，對(duì)未來(lái)城市進(jìn)一步發(fā)展有著十分重大的意義[6-11]。本文以北京市豐臺(tái)火車(chē)站東側(cè)立交專(zhuān)用匝道項(xiàng)目為例，以數(shù)值模擬方法分析解決其與地鐵10號(hào)線之間的相互影響，以保障立交系統(tǒng)與地鐵系統(tǒng)的安全、順利運(yùn)行。

1 項(xiàng)目概況

豐臺(tái)火車(chē)站站房東側(cè)立交專(zhuān)用匝道工程位于豐臺(tái)區(qū)在建豐臺(tái)火車(chē)站站房東側(cè)，地鐵10號(hào)線泥洼站及豐臺(tái)站之間。豐臺(tái)火車(chē)站市政配套工程站房東側(cè)立交專(zhuān)用匝道工程包含鐵路界外DB線和DB1線，以及DG1,DG2,DG3連接通道；鐵路界內(nèi)DC線匝道橋。主要工程量包括橋梁總長(zhǎng)約31 265 m，總面積約20 228.3 m2。通道總長(zhǎng)約431.11 m，面積約4 578 m2。立交匝道與地鐵平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

涉及地鐵10號(hào)線50 m保護(hù)范圍內(nèi)新建結(jié)構(gòu)物包括DC線匝道橋第二聯(lián)(DC05～084跨，其中DC-06，DC-07軸樁基距離地鐵10號(hào)線的距離分別為5.05 m及5.02 m，匝道橋梁臨近地鐵10號(hào)線安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí))以及進(jìn)出站房地下車(chē)場(chǎng)的DG1及DG3地下通道(離地鐵最小凈距為10.81 m，基坑開(kāi)挖深度6.2 m～11.2 m，安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí))。受新建結(jié)構(gòu)物施工影響的地鐵10號(hào)線區(qū)間范圍為：地鐵10號(hào)線豐臺(tái)站—泥洼站區(qū)(K42+129.29～K42+273.55，全長(zhǎng)144.3 m)。

地鐵區(qū)間由豐臺(tái)站向北斜穿國(guó)鐵車(chē)場(chǎng)，區(qū)間工法為盾構(gòu)工法，區(qū)間長(zhǎng)度為806 m，線間距由23 m漸變?yōu)?0.5 m，原地面標(biāo)高約為46.000 m(北京高程系)，在國(guó)鐵范圍內(nèi)地鐵區(qū)間為0.3%的單向坡，軌頂標(biāo)高27.975 m～27.833 m，盾構(gòu)上皮至地面距離為13.215 m～13.357 m左右。盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌環(huán)外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，管片寬度1 200 mm。豐臺(tái)至前泥洼區(qū)間使用加強(qiáng)鋼筋混凝土管片。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模擬范圍與對(duì)象

根據(jù)上述項(xiàng)目詳情，評(píng)估范圍為受地下通道(DG1通道、DG3通道)及DC線匝道橋(DC-05～DC-08橋樁)工點(diǎn)影響的豐臺(tái)站—泥洼站區(qū)間，平面尺寸約130 m×210 m(東西×南北)，對(duì)應(yīng)區(qū)間里程K42+100～K42+310。評(píng)估對(duì)象為該保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的豐臺(tái)站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

2.2 模擬內(nèi)容與方法

數(shù)值模擬主要計(jì)算內(nèi)容為豐臺(tái)火車(chē)站站房東側(cè)DC線匝道橋群樁基礎(chǔ)施工、加載及地下通道基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近豐臺(tái)站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)以及軌道結(jié)構(gòu)變形的影響。使用巖土專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件PLAXIS 3D，基于三維連續(xù)介質(zhì)有限元方法，根據(jù)評(píng)估范圍和評(píng)估對(duì)象，建立地下通道(DG1通道、DG3通道)支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)、DC線匝道橋(DC-04～DC-08橋樁)及豐臺(tái)站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，基于上述模型，預(yù)測(cè)分析樁基施工及樁基加載和基坑開(kāi)挖引起的豐臺(tái)站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)變形情況。具體模擬步驟見(jiàn)圖3。

2.3 模型與參數(shù)選取

綜合考慮評(píng)估范圍、評(píng)估對(duì)象相對(duì)位置關(guān)系、施工影響范圍及計(jì)算邊界，建立地下通道(DG1通道、DG3通道)支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)、DC線匝道橋(DC-04～DC-08橋樁)及豐臺(tái)站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。整體模型及結(jié)構(gòu)模型分別如圖4,圖5所示。DC線匝道橋及DG1,DG3地下通道分析模型范圍取210 m×150 m×50 m(東西×南北×地層深度)，單元數(shù)45 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)67 220個(gè)。在模型的底面處施加固定約束，在模型的側(cè)面處施加水平約束。

依據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》，將工程場(chǎng)地內(nèi)地層進(jìn)行概化劃分為5層。各層土體參數(shù)取值按照勘察報(bào)告中的土工試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的指標(biāo)以及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。計(jì)算中土層采用摩爾-庫(kù)侖(M-C)模型，混凝土材料采用線彈性模型。圍護(hù)樁、U型槽、閉合框架、路面結(jié)構(gòu)采用板單元模擬。橋墩和鋼支撐采用梁?jiǎn)卧M；灌注樁采用樁單元模擬；邊界上，在模型各個(gè)面固定法向自由度的約束。同時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)物、巖土體的重力作為外荷載。

完成模型的建立、參數(shù)的選取與完善邊界條件后，將現(xiàn)場(chǎng)施工步驟以七種工況按順序模擬，以期達(dá)到地應(yīng)力按時(shí)間逐步釋放的目的。具體的施工步驟見(jiàn)表1。

表1 模擬施工步驟

2.4 計(jì)算結(jié)果

在上述條件下開(kāi)始計(jì)算，得到最終成果?？紤]到豎向位移變形與水平位移變形所產(chǎn)生的破壞模式是不同的，將這兩種計(jì)算結(jié)果分開(kāi)表述。與此同時(shí)，為了能明確各個(gè)施工階段最可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)與危險(xiǎn)產(chǎn)生的位置，對(duì)立交系統(tǒng)開(kāi)始施工后的每個(gè)步驟都得到計(jì)算結(jié)果。

在地下通道開(kāi)挖至坑底完成這一施工階段，區(qū)間結(jié)構(gòu)變形左線大于右線，左線最大隆起1.14 mm，左線最大水平變形0.34 mm(向開(kāi)挖側(cè))，均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。結(jié)果云圖如圖6所示。

在地下通道主體結(jié)構(gòu)及回填施工完成這一施工階段，區(qū)間結(jié)構(gòu)變形左線大于右線，左線最大隆起0.52 mm，左線最大水平變形0.24 mm(向開(kāi)挖側(cè))，均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。結(jié)果云圖見(jiàn)圖7。

在DC04～DC08橋群樁基礎(chǔ)施工完成這一階段，區(qū)間結(jié)構(gòu)變形左線大于右線，左線最大隆起0.52 mm，左線最大水平變形0.23 mm(向開(kāi)挖側(cè))，均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。結(jié)果云圖見(jiàn)圖8。

在DC04～DC08橋梁加載完成這一階段，區(qū)間結(jié)構(gòu)變形左線大于右線，左線最大隆起0.51 mm，最大水平變形0.23 mm(向開(kāi)挖側(cè))，均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。引起的區(qū)間結(jié)構(gòu)右線最大沉降0.48 mm，位于區(qū)間右線距離DC07水平距離最近處。結(jié)果云圖見(jiàn)圖9。

將各個(gè)施工階段中不同方向的位移計(jì)算結(jié)果建立交叉表格，見(jiàn)表2。

表2 各施工階段位移計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述分析，擬建工程DC線匝道橋樁基施工及橋梁加載和地下通道基坑開(kāi)挖對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)均有影響，可以得出以下結(jié)論：受DC線匝道橋樁基施工及橋梁加載和DG1,DG3地下通道施工影響，豐臺(tái)站—泥洼站區(qū)間結(jié)構(gòu)累計(jì)變形左線大于右線，各工序影響的區(qū)間左線結(jié)構(gòu)最大隆起值1.14 mm，最大水平向(向開(kāi)挖一側(cè))變形為0.34 mm，位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。引起右線結(jié)構(gòu)最大沉降值0.48 mm，位于區(qū)間右線距離DC07水平距離最近處。

2.5 后期量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

施工后，對(duì)主要受影響區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，其左、右線豎向位移最終量測(cè)結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看出，最終位移結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果較為一致，充分說(shuō)明了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。本模擬計(jì)算對(duì)施工、量測(cè)工作起到了有效的參考價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

近地鐵建筑物項(xiàng)目施工本身就具有一定復(fù)雜性，而設(shè)計(jì)立交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的施工方案更是難上加難。本文通過(guò)對(duì)施工整體過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，輔以合理的監(jiān)控量測(cè)體系，保障了立交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工時(shí)地鐵系統(tǒng)的安全，對(duì)日后類(lèi)似的復(fù)雜工程的順利進(jìn)行有著一定的借鑒意義。