磁浮線隧道下穿機(jī)場(chǎng)工程有限元分析★

馬小龍，邱 冰，周博聞，李金光，李飛宇

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410200; 2.湖南省軌道勘察設(shè)計(jì)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410021)

近年來(lái),城市交通建設(shè)迅速發(fā)展,機(jī)場(chǎng)作為重要的交通紐帶,與其他交通方式聯(lián)動(dòng)的重要性不言而喻[1]。城市中出現(xiàn)越來(lái)越多的地鐵、公路隧道下穿機(jī)場(chǎng)的工程,如:北京首都機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)工程[2]、臺(tái)北市復(fù)興北路穿越松山機(jī)場(chǎng)地下道工程[3]、上海市軌道交通10號(hào)線下穿越虹橋機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)工程[4]。

然而新建隧道下穿既有工程需要克服更多復(fù)雜的挑戰(zhàn),且機(jī)場(chǎng)跑道對(duì)變形的要求更為嚴(yán)格[5-7]。魏曉剛等[8]使用有限元方法分析了飛機(jī)荷載作用下隧道應(yīng)力與位移的變化;王錦華[9]建立盾構(gòu)下穿機(jī)場(chǎng)跑道施工的隨機(jī)有限元模型,并分析施工參數(shù)和巖土體參數(shù)對(duì)跑道的影響;張恒新等[10]使用ABAQUS軟件分析雙線隧道下穿引起的機(jī)場(chǎng)跑道沉降規(guī)律。

國(guó)內(nèi)隧道下穿機(jī)場(chǎng)的案例與分析大多以盾構(gòu)法開(kāi)挖,且對(duì)于磁浮列車(chē)下穿機(jī)場(chǎng)的工程及相關(guān)分析相對(duì)較少。本文以長(zhǎng)沙磁浮東沿線接入T3航站樓工程為依托,基于有限元分析方法,探索中低速磁浮線盾構(gòu)下穿以及列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)機(jī)場(chǎng)的影響。

1 工程概況

工程線路長(zhǎng)約3.64 km,從T2航站樓站引出后,采用半徑為350 m的曲線折向西南,依次斜穿第一跑道、第二跑道及滑行道,穿越長(zhǎng)度為1 064 m,與氣象觀測(cè)區(qū)最近處100 m,之后采用半徑為550 m的曲線接入T3航站樓GTC設(shè)T3站。

擬建區(qū)范圍內(nèi)地層自上而下依次為人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、沖洪積粉質(zhì)黏土、沖洪積粉土、沖洪積粉質(zhì)黏土、殘積粉質(zhì)黏土、白堊系上統(tǒng)戴家坪組泥質(zhì)粉砂巖。

2 盾構(gòu)下穿對(duì)機(jī)場(chǎng)沉降的影響

2.1 計(jì)算模型

采用FLAC3D及MIDAS GTS有限元軟件模擬盾構(gòu)下穿施工過(guò)程,分別建立三維和二維模型進(jìn)行計(jì)算,相互驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性,計(jì)算模型如圖1,圖2所示。巖土體和加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 盾構(gòu)下穿對(duì)跑道結(jié)構(gòu)沉降的影響

圖3為FLAC3D及MIDAS GTS盾構(gòu)下穿對(duì)飛行區(qū)跑道沉降位移云圖,圖4為FLAC3D及MIDAS GTS盾構(gòu)下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)跑道最大主應(yīng)力云圖。

盾構(gòu)下穿機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)跑道時(shí),FLAC3D跑道道面沉降結(jié)果為2.35 mm,MIDAS GTS計(jì)算結(jié)果為2.21 mm,模型計(jì)算正確,其沉降值可作為參考依據(jù);可知,跑道道面最大沉降為2.35 mm,差異沉降值為0.004 3%,最大沉降值發(fā)生在雙洞中部位置,小于沉降控制指標(biāo)10 mm,小于差異沉降安全控制值0.1%;跑道區(qū)最大主應(yīng)力為-8.5 kPa,遠(yuǎn)小于道面極限抗拉強(qiáng)度,不會(huì)對(duì)跑道及滑行道面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響。

2.3 盾構(gòu)下穿對(duì)導(dǎo)航區(qū)沉降的影響

根據(jù)MH/T 4003.1—2021民用航空通信導(dǎo)航監(jiān)視臺(tái)(站)設(shè)置場(chǎng)地規(guī)范 第一部分:導(dǎo)航[11]關(guān)于場(chǎng)地的要求,航向臺(tái)近跑道端和天線之間的坡度、下滑信標(biāo)臺(tái)A區(qū)(臨界區(qū))的橫向坡度均應(yīng)在±1%范圍內(nèi);B區(qū)(敏感區(qū))地面應(yīng)盡可能平坦,地形凹凸高度的允許值,與下滑信標(biāo)天線到地形凹凸處的距離、下滑信標(biāo)天線的高度之間的關(guān)系式為:Z<0.011 7D/N,代入相關(guān)參數(shù)可知,其凹凸高度允許值為21 cm;C區(qū)(敏感區(qū))內(nèi)的地形坡度不超過(guò)15%。將壓實(shí)回填層物理力學(xué)參數(shù)輸入到模型計(jì)算,其豎向位移云圖見(jiàn)圖5。沉降值增加0.17 mm,達(dá)到2.52 mm,沉降槽區(qū)域坡度為0.005 0%,均小于航向臺(tái)±1%要求及下滑臺(tái)場(chǎng)地控制指標(biāo)最敏感A區(qū)±4 cm,縱橫向坡度應(yīng)在±1%的要求;地表橫向影響范圍為線路中心線60 m寬度范圍內(nèi),影響范圍小,沉降不侵入下滑信標(biāo)臺(tái)最敏感區(qū)A區(qū),對(duì)導(dǎo)航區(qū)設(shè)施影響小。

3 列車(chē)動(dòng)載影響分析

3.1 計(jì)算模型

采用FLAC3D軟件分析隧道列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)飛行區(qū)的影響,取實(shí)際情況下最不利位置斷面進(jìn)行分析,將模型簡(jiǎn)化如圖6所示。其中圍巖采用摩爾-庫(kù)侖模型,襯砌采用彈性模型。計(jì)算范圍為水平方向長(zhǎng)度60 m,垂直方向從地表向下取50 m。邊界條件則為:前后左右邊界水平阻尼邊界約束,下邊界垂直方向阻尼邊界約束,地表為自由面。

3.2 列車(chē)激勵(lì)荷載模擬

本分析選取激勵(lì)荷載最不利考慮,進(jìn)行輪軌列車(chē)振動(dòng)分析模擬,采用二系懸掛減振裝置的列車(chē)簡(jiǎn)化計(jì)算模型。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 列車(chē)參數(shù)

采用Matlab的Simulink對(duì)該模型進(jìn)行仿真模擬,仿真時(shí)間為10 s,得到列車(chē)荷載的仿真波形如圖7所示。

對(duì)列車(chē)荷載進(jìn)行快速傅里葉分析,可確定其中占主導(dǎo)地位的頻率成分有5處(見(jiàn)表3)。其中:0 Hz處為車(chē)體的靜止質(zhì)量;0.111 Hz處為車(chē)體本身振動(dòng)對(duì)列車(chē)荷載產(chǎn)生的影響,其幅值達(dá)到1.63 kN;1.667 Hz,16.667 Hz和33.222 Hz處為列車(chē)簧下質(zhì)量在軌道諧波不平順作用下的動(dòng)力響應(yīng)。由此得出列車(chē)荷載的模擬表達(dá)式為:

P(t)=157.36+1.63sin(0.697t+1.183)+2.28sin(10.474t+1.855)+2.83sin(104.722t+3.506)+2.28sin(208.740t+3.735)。

表3 列車(chē)荷載頻率成分

如圖8所示,列車(chē)荷載模擬表達(dá)式的幅值在149 kN～166 kN的范圍內(nèi)波動(dòng),且誤差能夠控制在±1%以?xún)?nèi),能夠較準(zhǔn)確地反映列車(chē)荷載的變化規(guī)律。本文采用此列車(chē)荷載來(lái)分析列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)擬建盾構(gòu)隧道下穿段飛行區(qū)的影響,為了保證足夠的精度,取4 s時(shí)間內(nèi)的列車(chē)振動(dòng)荷載進(jìn)行計(jì)算。為了保證時(shí)間積分的無(wú)條件穩(wěn)定,Newmark參數(shù)采用a=0.5,b=0.25。對(duì)于瑞利阻尼參數(shù),采用α=0.017,β=0.001 4。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 地層研究控制點(diǎn)

為考察上洞列車(chē)通過(guò)時(shí)列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)地層、地表以及道面的影響,將控制點(diǎn)布置如圖9所示,其中E1,E2,E3,E4,E5為動(dòng)荷載上方土層約2 m,3 m,5 m,7 m,9 m的地方。

3.3.2 列車(chē)振動(dòng)對(duì)地層影響

1)加速度分析。列車(chē)動(dòng)荷載作用下地層各控制點(diǎn)加速度(m/s2)隨時(shí)間(s)變化圖如圖10所示,動(dòng)荷載穩(wěn)定后各控制點(diǎn)最大豎向加速度如表4所示。

表4 各地層控制點(diǎn)最大加速度值

隨著離開(kāi)振源距離的增大,即圍巖遠(yuǎn)離列車(chē)運(yùn)行區(qū)間,加速度迅速衰減,仰拱中心下方圍巖深度從2 m到9 m處,相應(yīng)加速度峰值由3.5 mm/s2減小至0.5 mm/s2,后者僅是前者的14.3%。

2)位移分析。列車(chē)動(dòng)荷載下各地層控制點(diǎn)豎向位移(m)隨時(shí)間(s)變化圖如圖11所示。

動(dòng)荷載施加后,各地層控制點(diǎn)豎向位移隨著加載時(shí)間的變化豎向位移逐漸增大,之后逐漸趨于穩(wěn)定。隨著離開(kāi)振源距離的增大,豎向位移的值逐漸減小,但其變化的幅度極小。

3)小結(jié)。統(tǒng)計(jì)列車(chē)荷載作用1 s時(shí)地層不同位置加速度、位移的變化如表5所示。

表5 列車(chē)荷載下加速度、位移變化情況

當(dāng)最大豎向加速度小于1 mm/s2后,其最大豎向位移值的變化幅度較小,現(xiàn)取最大豎向加速度為1 mm/s2為其影響范圍的控制加速度,即列車(chē)荷載對(duì)圍巖的影響范圍為7 m。本線盾構(gòu)區(qū)間埋深在20 m～25 m范圍內(nèi),大于列車(chē)動(dòng)載影響地層范圍7 m,因此,列車(chē)運(yùn)行對(duì)飛行區(qū)地表及道面結(jié)構(gòu)影響很小,不影響飛行區(qū)運(yùn)行安全。

4 結(jié)論

本文以長(zhǎng)沙磁浮東沿線接入T3航站樓工程為依托,基于FLAC3D和MIDAS GTS有限元分析軟件,重點(diǎn)研究了磁浮隧道盾構(gòu)下穿機(jī)場(chǎng)以及磁浮列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)機(jī)場(chǎng)的影響,主要結(jié)論如下:

1)盾構(gòu)下穿機(jī)場(chǎng)時(shí),飛行區(qū)跑道道面最大沉降量為2.35 mm,道面差異沉降為0.004 3%,小于飛行區(qū)道面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)10 mm,差異沉降0.1%,滿足要求。

2)導(dǎo)航區(qū)地表沉降2.52 mm,沉降槽區(qū)域坡度為0.005 0%,滿足下滑臺(tái)信標(biāo)區(qū)敏感區(qū)B區(qū)、C區(qū)沉降控制標(biāo)準(zhǔn),且小于下滑信標(biāo)臺(tái)臨界區(qū)A區(qū)±4 cm高差范圍要求,坡度不大于±1%要求;滿足航向信標(biāo)臺(tái)臨界區(qū)坡度不大于±1%要求。

3)列車(chē)動(dòng)載影響范圍為7 m,對(duì)飛行區(qū)道面結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航區(qū)設(shè)備影響較小,風(fēng)險(xiǎn)可控。