人行天橋施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有隧道的影響研究

尚繼科，方建平，馬 亮，李國(guó)權(quán)

（1、衢州市交通設(shè)計(jì)有限公司 浙江衢州 324000；2、中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 杭州 310004；3、成都華豐工程勘察設(shè)計(jì)有限公司杭州分公司 杭州 310000）

0 引言

隨著人們對(duì)交通舒適性與便捷性要求的不斷提高，軌道交通的覆蓋范圍越來(lái)越廣，逐漸成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展主要的支撐性建設(shè)。截止2020 年12 月31 日，我國(guó)大陸城市中軌道交通線路達(dá)近200 條，運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)到7 715 km，覆蓋了大中型城市共44個(gè)。2021年是我國(guó)“十四五規(guī)劃”的開(kāi)局之年，我國(guó)城市軌道交通的建設(shè)進(jìn)入新的發(fā)展階段。

地下城市軌道交通網(wǎng)隨地下空間的開(kāi)發(fā)和利用而逐漸形成，當(dāng)在地面上建造建筑物時(shí)，不可避免地會(huì)引起地層應(yīng)力的重分布，并對(duì)臨近既有地下建筑造成不利影響［1-4］。新建項(xiàng)目的施工往往會(huì)使已受力穩(wěn)定的地下結(jié)構(gòu)和周?chē)馏w產(chǎn)生附加應(yīng)力與位移，可引起地下軌道交通結(jié)構(gòu)的過(guò)度沉降或變形，改變?cè)瓍^(qū)間隧道的受力狀態(tài)，從而對(duì)城市軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)造成威脅［5-7］。

針對(duì)以上問(wèn)題，BENTON 等人［8］從樁和群樁兩個(gè)方面，分別就樁基施工與承受荷載時(shí)對(duì)隧道變形的影響進(jìn)行了研究。POTTS 等人［9］研究了在加載階段，相對(duì)位置關(guān)系不同時(shí)群樁對(duì)隧道變形產(chǎn)生的影響，并由分析結(jié)果確定了合理的樁隧凈距。閆靜雅等人［10］通過(guò)數(shù)值分析模型對(duì)隧道剛度、樁長(zhǎng)以及樁隧凈距等對(duì)已建隧道變形和彎矩的影響進(jìn)行了單因素敏感性分析，并總結(jié)出了相關(guān)因素的影響規(guī)律。路平等人［11］對(duì)立交橋樁基施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有隧道的影響進(jìn)行了研究，得到了樁基施工和承載運(yùn)營(yíng)對(duì)既有地鐵隧道位移及內(nèi)力的影響機(jī)制和影響規(guī)律。胡乾［12］利用Midas∕GTS 建立了擬建機(jī)動(dòng)車(chē)4S 店項(xiàng)目對(duì)臨近隧道結(jié)構(gòu)影響的有限元分析模型，得到了擬建項(xiàng)目引起隧道結(jié)構(gòu)的水平和豎向位移，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了評(píng)估。

本文以合肥市某道路改造中新建人行天橋項(xiàng)目為工程實(shí)例，采用Midas∕GTS NX有限元分析軟件對(duì)近距離鉆孔灌注樁施工、人行天橋上部結(jié)構(gòu)施工、人行天橋運(yùn)營(yíng)等對(duì)既有地下隧道的影響進(jìn)行分析，以期為處理橋隧相交的工程問(wèn)題提供參考。

1 工程概況

新建人行天橋的主橋?yàn)槠叫兴倪呅武撹旒芙Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)支于平臺(tái)之上，該鋼桁架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)62.87 m，寬46.41 m。在主橋的4 個(gè)角點(diǎn)上設(shè)置引橋，引橋采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)與地面固定連接。主橋與引橋的寬度均為4.1 m。

新建人行天橋與既有隧道結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系的立面如圖1 所示。主橋與A 隧道的水平距離較近，為了避免橋墩施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響，橋梁采用能夠垂直跨越A 隧道的大跨度承臺(tái)結(jié)構(gòu)。承臺(tái)下分兩排設(shè)置共6 根鉆孔灌注樁，兩排樁的外邊緣與隧道結(jié)構(gòu)外邊緣的垂直距離分別為2.1 m 和3.7 m，盡量避免樁基施工對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。主橋橋墩為直徑80 cm 的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，引橋與主橋固定連接并通過(guò)圓形墩支撐與地面之上，承臺(tái)采用明挖法施工，開(kāi)挖深度為4.0 m。

圖1 人行天橋與地鐵結(jié)構(gòu)立面Fig.1 Elevation of Pedestrian Bridge and the Tunnel（m）

擬建工程地處合肥斷陷盆地，為巨厚的中、新生代陸源碎屑巖堆積區(qū)，場(chǎng)地地表均被第四系全新統(tǒng)南淝河組、上更新統(tǒng)下蜀組沉積物所覆蓋，其下伏地層為中新生界紅色碎屑巖系。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型主要有孔隙潛水、空隙承壓水及基巖裂隙水，水位埋深一般在0.3～8.5 m。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

采用巖土與隧道專(zhuān)用有限元分析軟件Midas∕GTS NX 建立新建人行天橋與既有隧道結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值分析模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)作如下基本假設(shè)：

⑴ 計(jì)算模型中，地層按自上而下的順序簡(jiǎn)化為等厚的成層土，土層的厚度根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)各土層埋深的變異性與起伏性綜合確定。

⑵距離較遠(yuǎn)的隧道結(jié)構(gòu)受人行天橋樁基的影響較小，因此僅對(duì)距人行天橋樁基水平凈距50 m范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，數(shù)值模型建立200 m隧道結(jié)構(gòu)。

土體本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型；隧道、主梁和樓梯均用板單元模擬；鉆孔灌注樁采用梁?jiǎn)卧M。

為模擬樁體與土體之間的相互作用，在樁-土交界面上設(shè)置接觸單元。數(shù)值分析按實(shí)際的施工順序模擬，數(shù)值模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分Fig.2 Numerical Modeling and Meshing

2.2 土體材料參數(shù)

為加快模型收斂，將材性相近的土層合并。模型中的土體可劃分為5個(gè)土層，其參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)Tab.1 The Soil Parameters

2.3 施工過(guò)程模擬

將整個(gè)受力過(guò)程分為3 個(gè)階段，階段1 為基坑開(kāi)挖與樁基施工，階段2為上部結(jié)構(gòu)施工，階段3為人行天橋運(yùn)營(yíng)。鉆孔灌注樁施工的模擬可分為鉆孔開(kāi)挖與混凝土注入成樁2 個(gè)階段，其中鉆孔開(kāi)挖通過(guò)樁單元模擬土體的卸載；混凝土成樁中通過(guò)樁-土接觸單元模擬混凝土與土體的相互摩擦作用；上部結(jié)構(gòu)施工和人行天橋運(yùn)營(yíng)階段的分析均根據(jù)設(shè)計(jì)方案通過(guò)在主梁和樓梯頂面施加均布荷載來(lái)模擬。

2.4 數(shù)值分析結(jié)果

通過(guò)數(shù)值分析得到人行天橋施工的3個(gè)階段對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及其周邊土體結(jié)構(gòu)的影響。

2.4.1 土體位移

不同施工階段土體豎向位移和水平位移的分析結(jié)果如圖3 和4 所示。不同施工階段土體的最大位移如表2所示。

表2 土體最大位移Tab.2 Maximum Displacement of Soil（mm）

圖3 土體豎向位移云圖Fig.3 Vertical Displacement Cloud Diagram of Soil

由分析結(jié)果可得，階段1 對(duì)土體的豎向和水平位移均有明顯影響，階段2 對(duì)土體位移的影響較階段1小，階段3對(duì)土體位移的影響最小，對(duì)土體的水平位移幾乎沒(méi)有影響。

圖4 土體水平位移云圖Fig.4 Horizontal Displacement Cloud Diagram of Soil

2.4.2 隧道位移

不同施工階段的隧道位移如圖5 和6 所示。隧道豎向位移分析結(jié)果表明，四邊形鋼桁架人行天橋的橋墩位置處，隧道位移豎直向下，位移最大。橋墩以外的位置隧道位移豎直向上，發(fā)生反拱現(xiàn)象。

圖5 隧道豎向位移云圖Fig.5 Vertical Displacement Cloud Diagram of Tunnel

數(shù)值模型中，除橋墩位置處隧道的水平位移為負(fù)外，隧道的其他位置水平位移為正。在橋墩位置處隧道結(jié)構(gòu)受較大拉應(yīng)力作用，因此需重點(diǎn)分析此處的水平應(yīng)力。

不同施工階段隧道的最大位移如表3所示。隧道結(jié)構(gòu)在階段一的豎向與水平位移均較明顯；階段2 對(duì)隧道豎向位移的影響與階段1 相當(dāng)，對(duì)水平位移的影響較階段1 更明顯；在階段3，隧道的位移幾乎沒(méi)有增大。

表3 隧道最大豎向位移Tab.3 Maximum Vertical Displacement of Tunnel（mm）

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范：CJJ∕T 202—2013》中對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全的控制指標(biāo)值做出了具體要求，其中隧道水平和豎向位移的預(yù)警控制值均為10 mm。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：隧道位移滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范：CJJ∕T 202—2013》要求。

圖6 隧道水平位移云圖Fig.6 Horizontal Displacement Cloud Diagram of Tunnel

2.4.3 隧道內(nèi)力

不同施工階段隧道的彎矩如圖7所示。隧道的彎矩分析結(jié)果表明，隧道距離樁較近的位置彎矩較大，遠(yuǎn)離樁的位置彎矩較小。拱腰位置所受彎矩較大，且彎矩最大值僅在隧道較小的范圍內(nèi)出現(xiàn)。

圖7 隧道彎矩Fig.7 The Bending Moment of Tunnel

不同施工階段隧道的最大彎矩如表4 所示，隧道結(jié)構(gòu)在階段1 的彎矩變化較大；階段2 對(duì)隧道彎矩的影響更明顯；在階段3，隧道的彎矩變化很小。

表4 隧道最大彎矩Tab.4 The Maximum Bending Moment of Tunnel （kN·m）

3 結(jié)論

本文以合肥市某道路改造中新建人行天橋項(xiàng)目為工程實(shí)例，通過(guò)Midas∕GTS NX 有限元分析軟件分析了不同施工階段新建人行天橋?qū)Φ叵录扔兴淼篮椭車(chē)馏w的位移影響。計(jì)算結(jié)果表明：

⑴基坑開(kāi)挖與樁基施工、上部結(jié)構(gòu)施工兩階段對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和土體的位移影響明顯；在運(yùn)營(yíng)階段，隧道結(jié)構(gòu)和土體的位移幾乎沒(méi)有變化。

⑵基坑開(kāi)挖與樁基施工、上部結(jié)構(gòu)施工兩個(gè)階段對(duì)隧道的彎矩影響明顯；在運(yùn)營(yíng)階段，隧道的彎矩變化很小。

⑶隧道結(jié)構(gòu)在人行天橋各施工階段的水平和豎向位移均在安全控制值的范圍內(nèi)，滿足地鐵安全運(yùn)營(yíng)的要求。