劉俊玲,劉海蘋

(黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院,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當按照規(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,應當按照有關(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]分析確定該建設對已有地鐵軌道變形的影響程度[3],避免過街天橋在建設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。基礎采用鉆孔灌注樁,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 擬建天橋基礎布置

圖3 區(qū)段地鐵隧道剖面

該天橋建設路段原有建筑物及構(gòu)筑物較密集,過街天橋基礎的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。天橋基礎與地鐵隧道位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 過街天橋基礎與地鐵隧道位置關(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,標準凍結(jié)深度為2.0 m。勘察期間勘探深度內(nèi)未見地下水出露,因此,地下水對基礎施工無影響,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。考慮施工過程中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應,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確,分別為標準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)排水試驗中豎向應變和偏應力的關(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)排水試驗中的應力-應變關(guān)系

圖7 模型主應力空間的壓力屈服面

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

(1)

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

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

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導入延伸建立,整體模型包括過街天橋的基礎、影響范圍內(nèi)地鐵隧道和周圍的土體,如圖8所示。考慮到施工過程中的空間效應,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

建設區(qū)域影響范圍的土體、過街天橋的基礎承臺采用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系為基準[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,荷載取準永久組合,等效為集中荷載作用于基礎承臺上。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力分析中?？倯Φ挠嬎愎綖?/p>

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

3.3 計算工況

受各種不確定因素影響,實際建設過程較復雜。本次模擬基礎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)間管片的彎矩標準值和軸力標準值[13],以確定準永久組合下的裂縫。地鐵隧道管片彎矩、軸力標準值見圖11。地鐵隧道區(qū)間管片單位長度的內(nèi)側(cè)最大彎矩標準值89.95 kN·m,小于設計彎矩118.3 kN·m,外側(cè)最大彎矩標準值58.47 kN·m,小于設計彎矩266.4 kN·m,最大軸力標準值730 kN,小于設計軸力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 管片受力標準值

4 地鐵隧道監(jiān)測

天橋建設過程中,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于天橋基礎的定位軸線?、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側(cè),對應與前述斷面的監(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,離承臺基礎近處變形大,遠端變形小,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)設計要求。故該項目建設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,應對地鐵隧道結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)控,控制標準采用累積值和變化速率雙控,并采用三級預警值,盡可能減少施工對地鐵隧道的影響。