李石磊
重慶交通大學土木工程學院,中國·重慶 400074
論文以重慶市某人行天橋上跨軌道交通五號線工程為研究對象,運用Midas 軟件建立相應(yīng)的力學模型,模擬了擬建人行天橋在施工和運營過程中對鄰近既有軌道的影響,以評估擬建人行天橋施工的可行性和安全性。結(jié)果表明:擬建項目建設(shè)及運營使用過程所引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形在可控范圍內(nèi),也不會改變原區(qū)間隧道深埋受力狀態(tài)。
人行天橋;既有隧道;數(shù)值模擬;評估
近幾年,中國城市軌道交通得到了快速發(fā)展,軌道交通也愈加網(wǎng)絡(luò)化,在城市土地資源有限的情況下,必然會對既有隧道周圍的土地和空間進行開發(fā)利用。在既有隧道附近修建橋梁、道路及其他建筑時,會使隧道區(qū)域受力平衡狀態(tài)打破,應(yīng)力重新分布,引起隧道產(chǎn)生內(nèi)力變化和變形[1-3]。同時,由于地鐵運營的重要性,運營期間的地鐵隧道對結(jié)構(gòu)變形如沉降、水平位移等控制指標要求極其嚴格[4-6]。這些問題都是目前亟待解決的問題。
論文以重慶市兩江新區(qū)某人行天橋上跨軌道交通五號線工程為研究對象,采用MIDAS/GTS 有限元軟件建立土與結(jié)構(gòu)共同作用的有限元模型,數(shù)值模擬分析了軌道控制保護范圍內(nèi)某人形天橋施工、運營對軌道交通五號線的影響,對方案的可行性和安全性進行了評估。
項目建設(shè)區(qū)域位于重慶市北部新區(qū)星光大道,柏林公園附近,擬建工程沿線地貌屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌,經(jīng)周邊房屋建設(shè)的開挖回填,現(xiàn)狀地形起伏小,地形平坦。場區(qū)內(nèi)地層有第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系全新統(tǒng)坡殘積層、侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖及砂巖。場區(qū)地下水可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水,擬建天橋平面位置如圖1所示。
圖1 擬建人行天橋平面位置圖
擬建人行天橋位于已運營軌道5 號線幸福廣場站至冉家壩站區(qū)間軌道保護范圍內(nèi)。軌道右線外邊線距P1 橋墩基礎(chǔ)最小水平距離8.7m,軌道左線外邊線距P2 橋墩基礎(chǔ)最小水平距離0.89m,X2 橋墩位于軌道左線結(jié)構(gòu)上方,基礎(chǔ)與軌道結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系如圖2所示。
圖2 擬建人行天橋與軌道平面位置關(guān)系
本次評估分析選取大型通用有限元軟件MIDAS/GTS 作為計算平臺。MIDAS/GTS 主要針對巖土隧道領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析所需要的功能直接開發(fā)的程序,是通用有限元程序與巖土及隧道專業(yè)技術(shù)的結(jié)合[7]。MIDAS/GTS 提供了各種結(jié)構(gòu)單元來模擬結(jié)構(gòu)部分的作用,包括桁架單元、梁單元、樁單元、板單元以及平面應(yīng)力單元等結(jié)構(gòu)單元。通過這些單元的設(shè)置,可以模擬各種巖土分析中的結(jié)構(gòu)部分[8]。
本次計算中,巖土體材料采用M-C 模型。M-C 本構(gòu)模型是模擬巖土材料最常用的一種模型,該模型包含剪切和拉伸兩個模型破壞準則,分別對應(yīng)不同的流動法則,非常適合模擬巖土材料的應(yīng)力-應(yīng)變特征。而區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)等采用彈性本構(gòu)方程。
為了確保模型有足夠的計算精度并盡量減少收斂時間,本次計算對模型范圍作出了一定的限定,模型尺寸為104m×68m,計算模型如圖3所示。計算中,將天橋荷載按均布荷載施加在橋墩上,由于二維平面應(yīng)變模型自身限制,使施加在橋墩上荷載較實際荷載大。
圖3 網(wǎng)格模型
根據(jù)實際施工步序,本次計算主要施工步序如下:
(1)初始應(yīng)力計算,位移清零。
(2)地鐵隧道開挖及二襯施工,應(yīng)力、位移計算。
(3)位移場清零,應(yīng)力計算。
(4)基礎(chǔ)基坑開挖,應(yīng)力、位移計算。
(5)橋墩及擴大基礎(chǔ)施工,應(yīng)力、位移計算。
(6)施加荷載,應(yīng)力、位移計算。
軌道結(jié)構(gòu)位于巖層中且為已運營線路,因此可認為天橋建設(shè)時軌道結(jié)構(gòu)及圍巖已完成變形,因此在計算分析步序第3步進行位移清零,旨在模擬天橋?qū)嵤┘笆褂脤壍雷冃斡绊懀撕喕挥绊懹嬎憬Y(jié)果。
圖4、5 分別為剖面1-1 圍巖橫向變形云圖及豎向變形云圖。
圖4 地層橫向變形云圖
圖5 地層豎向變形云圖
從圖中可以看出,天橋施工完成投入使用后地層變形最大,最大橫向變形為0.5mm,最大豎向變形為5.65mm。地層變形主要發(fā)生在兩側(cè)基坑頂部;對于軌道區(qū)間隧道結(jié)構(gòu),天橋施工及運營使用時其變形變化不大,表明天橋施工及使用階段對軌道區(qū)間周邊巖體的影響較小。
圖6、7 分別為天橋基礎(chǔ)開挖階段、施工完成使用階段,隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向及豎向變形云圖。
圖6 隧道襯砌橫向變形云圖
圖7 隧道襯砌豎向變形云圖
基礎(chǔ)基坑開挖時軌道結(jié)構(gòu)最大橫向變形為0.009m,位于左線區(qū)間隧道側(cè)壁,方向向洞內(nèi)收斂。最大豎向變形為0.08m,位于左線區(qū)間隧道拱頂,方向為向上隆起。天橋建成使用時軌道結(jié)構(gòu)最大橫向變形為0.14mm 左線區(qū)間隧道側(cè)壁,方向指向洞外。最大豎向變形為1.1mm,位于右線區(qū)間隧道拱頂上,方向為豎向向下。項目建設(shè)及建成投入使用,區(qū)間左線仰拱最大豎向變形為0.77mm,區(qū)間右線仰拱最大豎向變形為0.99mm。天橋在建設(shè)及建成使用中,對已運營軌道結(jié)構(gòu)變形影響很小,均小于10mm,仰拱豎向變形均小于4mm。
圖8 圍巖塑性變形云圖
由圖8可知,軌道隧道建設(shè)完成時,隧道拱腳位置有塑性變形產(chǎn)生。天橋項目建設(shè)完成時,隧道周圍塑性變形無擴散現(xiàn)象。由此可判斷,天橋建設(shè)不影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
通過數(shù)值模擬分析擬建人行天橋施工、運營對軌道交通5 號線的影響,分析結(jié)果表明:
(1)擬建項目建設(shè)及建成使用所引起區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大豎向變形為1.1mm,最大橫向變形為0.14mm,均小于10mm,仰拱最大豎向變形為0.99mm,均小于4mm,滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》中軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標,因此擬建天橋建設(shè)及建成使用不影響軌道結(jié)構(gòu)正常運營。
(2)擬建項目建設(shè)及建成使用均不改變原區(qū)間隧道深埋受力狀態(tài),區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)仍滿足原設(shè)計要求,因此項目建設(shè)及建成使用不影響軌道結(jié)構(gòu)安全。