基于MIDAS/GTS NX的人行過街天橋建設(shè)對地鐵隧道的影響分析

劉俊玲,劉海蘋

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150050)

隨著城市交通的發(fā)展,在人流量和車流量較大的主干路建設(shè)過街天橋可以緩解路段的交通擁堵狀況,改善周邊居民的出行環(huán)境。根據(jù)2018年交通運輸部《城市軌道交通運營管理規(guī)定》相關(guān)要求,城市軌道交通工程項目應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定劃定保護區(qū),在城市軌道交通保護區(qū)內(nèi)進行新建、改建、擴建或者拆除建(構(gòu))筑物作業(yè)的,應(yīng)當(dāng)按照有關(guān)規(guī)定制定安全防護方案,并對作業(yè)影響區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)測。文中以地鐵交通保護區(qū)范圍內(nèi)的人行過街天橋為研究對象,通過模型模擬[1]、數(shù)值計算[2]分析確定該建設(shè)對已有地鐵軌道變形的影響程度[3],避免過街天橋在建設(shè)和使用階段對地鐵隧道造成不利影響,威脅地鐵隧道的安全,為類似的工程項目探尋合適的研究方法和施工方案[4]。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

項目建設(shè)區(qū)域位于哈爾濱市地鐵2號線某區(qū)段,擬建天橋位置如圖1所示。過街天橋跨度45.00 m,寬度3.60 m,天橋下凈空6.00 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁,其中,ZH-1及ZH-2樁徑500 mm,樁身長12.5 m,單樁承載力特征值650 kN,ZH-3～ZH-5樁徑500 mm,樁身長8.5 m,單樁承載力特征值450 kN。天橋基礎(chǔ)布置如圖2所示。地鐵隧道寬18.00 m,高7.20 m。地鐵隧道為鋼筋混凝土拱形結(jié)構(gòu),上部覆土厚度16.5 m。該路段地鐵隧道剖面圖見圖3。

圖1 項目區(qū)域天橋及地鐵走向

圖2 擬建天橋基礎(chǔ)布置

圖3 區(qū)段地鐵隧道剖面

該天橋建設(shè)路段原有建筑物及構(gòu)筑物較密集,過街天橋基礎(chǔ)的①～③軸距離地鐵隧道較近,①軸樁距離地鐵隧道邊緣水平距離2.0 m,樁底距離隧道頂面豎向距離4.0 m,此區(qū)域共有樁22根。天橋基礎(chǔ)與地鐵隧道位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 過街天橋基礎(chǔ)與地鐵隧道位置關(guān)系(mm)

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)該路段人行過街天橋地質(zhì)勘察報告,工程地質(zhì)和水文地質(zhì)良好,不存在對工程安全有影響的巖溶、滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)作用危險區(qū),不存在濕陷性土、紅黏土、膨脹巖土、鹽漬巖土等特殊性巖土。該建筑場地為季節(jié)性凍土,標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.0 m?？辈炱陂g勘探深度內(nèi)未見地下水出露,因此,地下水對基礎(chǔ)施工無影響,地層結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 工程地質(zhì)剖面

2 計算模型及相關(guān)參數(shù)

2.1 計算軟件與計算模型

進行結(jié)構(gòu)分析的軟件很多,通過對比選用MIDAS/GTS NX進行分析[5]。該軟件是針對巖土隧道領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析開發(fā),與其它大型通用有限元軟件相比,除了具有強大的前后處理及求解功能外,還可進行回填、開挖及支護結(jié)構(gòu)等巖土及隧道工程施工分析[6]。MIDAS/GTS NX施工階段分析采用的是累加模型,即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結(jié)果,并累加本施工階段的分析結(jié)果。上一個施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果[7],與建設(shè)施工的實際情況吻合。

土體是典型的彈塑性材料,卸載模量遠(yuǎn)大于加載模量,莫爾-庫倫模型將加載和卸載模量統(tǒng)一用楊氏模量E表示[8]。過街天橋土方開挖施工是卸荷的過程,因此,采用模擬土體卸載特性較好的硬化土模型, 要比莫爾-庫倫模型更為合理?？紤]施工過程中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng),本次分析土體材料本構(gòu)模型取用硬化土彈塑性模型,襯砌結(jié)構(gòu)、區(qū)間結(jié)構(gòu)按線彈性考慮。

2.2 參數(shù)確定

襯砌結(jié)構(gòu)、區(qū)間結(jié)構(gòu)采用線彈性分析,本構(gòu)關(guān)系的輸入?yún)?shù)為彈性模量E和泊松比μ。

土體采用硬化土模型進行分析,硬化土模型除了由地質(zhì)勘測資料提供內(nèi)摩擦力和內(nèi)粘聚力等強度指標(biāo)外,通過實驗確定3個剛度參數(shù)來表征土體在施工過程中的特性更準(zhǔn)確,分別為標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗確定割線剛度E50、固結(jié)排水剪切試驗確定切線剛度Eoed和固結(jié)排水加載卸載實驗確定卸載/重新加載剛度Eur。在固結(jié)排水試驗中豎向應(yīng)變和偏應(yīng)力的關(guān)系[8]可以近似用雙曲線擬合表示,如圖6所示,硬化土模型在Duncan&Chang模型的基礎(chǔ)上采用塑性理論,同時考慮了土的膨脹和壓縮屈服面,如圖7所示。

圖6 固結(jié)排水試驗中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖7 模型主應(yīng)力空間的壓力屈服面

固結(jié)排水試驗中,E50利用豎向應(yīng)變和偏應(yīng)力的關(guān)系確定,當(dāng)(σ1-σ3)≤qf時為

(1)

式中:E50為固結(jié)排水試驗得出偏應(yīng)力達到50%時所得到的割線模量;ε1為豎向應(yīng)變;(σ1-σ3)為偏應(yīng)力;qu為偏應(yīng)力漸近線值;qf為偏應(yīng)力破壞線值。

卸荷剛度Eur與回彈指數(shù)К之間的關(guān)系為

(2)

式中:p為卸荷模量參考壓力;νur為卸荷泊松比;e0為初始孔隙比。

根據(jù)該區(qū)間工程地質(zhì)勘察報告及試驗報告,本項目各土層計算參數(shù)選取如表1所示。本模型結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)取值如表2所示。主要構(gòu)件幾何參數(shù)取值如表3所示。

表1 各巖土層計算指標(biāo)

表2 結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)

表3 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)

3 地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 建立計算模型

模型是通過CAD導(dǎo)入延伸建立,整體模型包括過街天橋的基礎(chǔ)、影響范圍內(nèi)地鐵隧道和周圍的土體,如圖8所示?？紤]到施工過程中的空間效應(yīng),計算模型取長150 m、寬80 m、高50 m的土體作為分析范圍,共劃分29 508個單元、11 697個節(jié)點,地層模型采用大變形理論分析。其中,周圍土體采用實體單元,不同的土層采用不同的材料。模擬邊界條件:頂面為自由邊界,其他面均采取法向約束或全約束。

圖8 計算模型

3.2 模擬工序

建設(shè)區(qū)域影響范圍的土體、過街天橋的基礎(chǔ)承臺采用3D實體單元,實體單元有3個平移自由度,沒有旋轉(zhuǎn)自由度。地鐵隧道區(qū)間管片采用2D板單元,板單元的自由度以單元坐標(biāo)系為基準(zhǔn)[9],每個節(jié)點具有x,y,z軸方向的平移自由度和繞x,y軸的旋轉(zhuǎn)自由度。樁基和短柱采用1D梁單元,梁單元具有3個平移自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度[10]。水位邊界按地面以下18 m計算。

地面以上過街天橋的主體箱梁結(jié)構(gòu)自重荷載、樓梯結(jié)構(gòu)自重荷載由初步設(shè)計圖紙中構(gòu)件的尺寸及材料比重確定,人群荷載參考荷載規(guī)范按等效均布荷載考慮,荷載取準(zhǔn)永久組合,等效為集中荷載作用于基礎(chǔ)承臺上。結(jié)構(gòu)分析中,地下水位的變化往往會造成結(jié)構(gòu)的受力變化,進而引起變形。因此,在計算中需要考慮地下水的影響[11]。通過滲流計算得到孔隙水壓力,然后將該孔隙水壓力考慮到應(yīng)力分析中。總應(yīng)力的計算公式為

σxx(yy,zz)=σ′xx(yy,zz)+μw,

(3)

τxy(yz,zx)=τ′xy(yz,zx).

(4)

式中:σxx(yy,zz)為x(y,z)向的總正應(yīng)力;σ′xx(yy,zz)為x(y,z)向的有效正應(yīng)力;μw為孔隙水壓力;τxy(yz,zx),τ′xy(yz,zx)為總剪應(yīng)力和有效剪應(yīng)力。

3.3 計算工況

受各種不確定因素影響,實際建設(shè)過程較復(fù)雜。本次模擬基礎(chǔ)施工階段和人行過街天橋建成使用階段,計算工況如表4所示。

表4 計算工況

3.4 計算結(jié)果

工況1是初始應(yīng)力計算,位移清零。本次提取工況2和工況3的計算結(jié)果。

3.4.1 天橋樁基及承臺施工期間(工況2)位移計算

地鐵隧道管片區(qū)間位移如圖9所示,地鐵隧道區(qū)間X向最大水平位移為0.457 mm,Y向最大水平位移為0.018 mm,Z向最大豎向沉降為0.970 mm,X,Y向最大位移均發(fā)生在臨近天橋側(cè)區(qū)間拱腰位置,Z向最大位移均發(fā)生在臨近天橋側(cè)區(qū)間拱頂位置。最大水平徑向收斂0.586 mm,最大豎向徑向收斂0.603 mm。

圖9 工況2地鐵隧道區(qū)間位移

3.4.2 天橋上部結(jié)構(gòu)施工完成并投入使用階段(工況3)位移計算

地鐵隧道管片區(qū)間位移如圖10所示。地鐵隧道管片區(qū)間X向最大水平位移為0.479 mm,Y向最大水平位移為0.019 mm,Z向最大豎向沉降為1.078 mm,X,Y向最大位移均發(fā)生在臨近天橋側(cè)區(qū)間拱腰位置,Z向最大位移均發(fā)生在臨近天橋側(cè)區(qū)間拱頂位置。最大水平徑向收斂0.654 mm,最大豎向徑向收斂0.669 mm。

圖10 工況3地鐵隧道區(qū)間位移

3.5 位移計算結(jié)果分析

根據(jù)以上計算,將結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 各工況計算匯總 mm

隧道結(jié)構(gòu)、土體表面和樁基均發(fā)生水平及縱向位移,工況3相比于工況2位移都有增加。地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)X向最大水平位移0.476 mm,Y向最大水平位移0.019 mm,Z向最大豎向位移1.078 mm,最大水平徑向收斂0.654 mm,最大豎向徑向收斂0.669 mm;越靠近天橋基礎(chǔ)的位置影響越大,水平方向位移較大處位于拱腰,豎直方向最大位移位于拱頂。豎直Z向產(chǎn)生的變形最大,水平X向次之,水平Y(jié)方向的變形最小。水平X向位移變化率4.2%,Y向位移變化率0.8%,豎直Z向位移變化率11.1%。說明過街天橋?qū)ρ刂罔F軌道方向變形影響很小,其他兩個方向影響較大,但都在地鐵變形控制值10 mm范圍內(nèi)[12],徑向收斂變形小于結(jié)構(gòu)徑向收斂變形,在控制值5 mm范圍,具體控制值見表6。

表6 計算結(jié)果匯總 mm

土體地表、天橋樁基及承臺在工況2和工況3均產(chǎn)生位移,土體地表X向最大水平位移0.571 mm,Y向最大水平位移0.336 mm,豎向最大位移3.315 mm;天橋樁基及承臺X向最大水平位移為0.282 mm,Y向最大水平位移0.359 mm,豎向最大位移3.315 mm。X向在兩種工況下位移變化小,Y,Z方向在兩種工況下位移變化較大,均在控制值范圍內(nèi)。

3.6 地鐵隧道管片裂縫計算

計算單位長度地鐵隧道區(qū)間管片的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和軸力標(biāo)準(zhǔn)值[13],以確定準(zhǔn)永久組合下的裂縫。地鐵隧道管片彎矩、軸力標(biāo)準(zhǔn)值見圖11。地鐵隧道區(qū)間管片單位長度的內(nèi)側(cè)最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值89.95 kN·m,小于設(shè)計彎矩118.3 kN·m,外側(cè)最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值58.47 kN·m,小于設(shè)計彎矩266.4 kN·m,最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值730 kN,小于設(shè)計軸力1 874 kN,地鐵隧道區(qū)間管片的內(nèi)側(cè)和外側(cè)裂縫均小于管片的限值0.2 mm。說明過街天橋?qū)Φ罔F隧道的影響在規(guī)范規(guī)定的限值內(nèi),正常使用極限狀態(tài)能滿足設(shè)計要求。管片配筋和裂縫驗算結(jié)果如表7所示。

表7 管片配筋和裂縫驗算結(jié)果

圖11 管片受力標(biāo)準(zhǔn)值

4 地鐵隧道監(jiān)測

天橋建設(shè)過程中,選取臨近天橋側(cè)地鐵隧道的4個斷面,每個斷面設(shè)置1個水平位移和1個豎向位移共計8個變形控制監(jiān)測點。斷面位置選取在對應(yīng)于天橋基礎(chǔ)的定位軸線?、定位軸線、距離軸7 m和14 m處。水平位移觀測點位于隧道拱腰靠近天橋基礎(chǔ)側(cè),對應(yīng)與前述斷面的監(jiān)測點命名測點11、測點21、測點31、測點41;豎向位移觀測點位于隧道拱頂[14],對應(yīng)與前述斷面的監(jiān)測點命名測點21、測點22、測點32、測點42。在基坑開挖后、樁基和承臺施工后(工況2)以及主體結(jié)構(gòu)施工后(工況3)定期進行位移監(jiān)測[15]。測量結(jié)果見表8。

表8 管片變形監(jiān)測結(jié)果 mm

監(jiān)測結(jié)果:水平位移X向的變形范圍在-0.157～0.473 mm、水平位移Y向的變形范圍在-0.008～0.019 mm、豎直位移Z向變形范圍在-0.158～0.998 mm。提取與監(jiān)測位置對應(yīng)的位移分析值和位移監(jiān)測值,繪制監(jiān)測點位移對比(見圖12)。從圖中可以看出,相應(yīng)點處工況2和工況3位移的理論計算值和實測值雖略有差異,但差異不大,X,Y,Z3個方向位移變化趨勢一致,離承臺基礎(chǔ)近處變形大,遠(yuǎn)端變形小,都小于控制值。選取的觀測點是理論分析變形較大的位置,具有一定的代表性。監(jiān)測到個別位置位移變化幅度較大,產(chǎn)生位移的原因是由于施工方法對土層的擾動或局部土質(zhì)分布不均勻等因素,具體影響因素文中不做具體分析。位移的模擬分析計算數(shù)值與監(jiān)測數(shù)值結(jié)果一致。

圖12 監(jiān)測點位移對比

5 結(jié)論和建議

1)數(shù)值模擬和跟蹤監(jiān)測過街天橋建設(shè)對地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大附加變形吻合較好,豎向變形、收斂變形、裂縫符合正常使用極限狀態(tài)設(shè)計要求。故該項目建設(shè)對地鐵隧道的影響較小,滿足地鐵結(jié)構(gòu)的保護要求。

2)可以利用MIDAS/GTS NX軟件模擬建筑物施工階段和使用階段的地鐵隧道變形和受力,分析新建建筑物對地鐵的影響程度,軟件的適用性好,為類似的項目建設(shè)提供分析依據(jù)。

3)通過計算位移云圖與施工實時監(jiān)控數(shù)據(jù)對比,可以合理制定和實時調(diào)整施工方案,確定施工防護措施。

4)建議類似項目建設(shè)前,論證選擇適合的施工方法。不同的施工方法對隧道的變形影響較大,應(yīng)對地鐵隧道結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)控,控制標(biāo)準(zhǔn)采用累積值和變化速率雙控,并采用三級預(yù)警值,盡可能減少施工對地鐵隧道的影響。