雙鳳橋立交K匝道對軌道三號線北延伸段影響有限元分析

劉慶（重慶市設(shè)計院，重慶　400015）

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雙鳳橋立交K匝道對軌道三號線北延伸段影響有限元分析

劉慶
（重慶市設(shè)計院，重慶400015）

摘要：重慶軌道交通三號線下穿雙鳳橋立交，其中軌道暗挖隧道段與立交K匝道路面距離較近，因隧道先施工，匝道的施工與運營均可能對軌道結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。該文用三維彈塑性有限元方法，對K匝道施工及運營過程中隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形情況進行了模擬分析。計算結(jié)果表明，軌道交通三號線暗挖隧道的承載力、變形和抗裂等均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：有限元分析；暗挖隧道；位移影響；計算荷載；邊界條件

1　項目背景

1.1區(qū)位

雙鳳橋立交位于渝北區(qū)雙鳳橋及空港廣場附近，處于兩路老城區(qū)、空港工業(yè)園區(qū)、空港新城和江北機場等區(qū)域的交匯處，為210國道、椿萱大道、空港大道、雙鳳路、319國道等道路上的重要交通節(jié)點。

軌道三號線北延段由南向北延伸，在雙鳳橋立交C匝道K0+060處進入立交設(shè)計范圍并沿C匝道向北延伸，上跨C匝道、I匝道、319國道及D匝道后，進入空港廣場，繼續(xù)向北下穿K匝道，在K匝道K0+310處向東延伸，進入空港大道并離開立交設(shè)計范圍，區(qū)位關(guān)系如圖1。

圖1　區(qū)位圖

1.2相互關(guān)系

立交K匝道與軌道三號線關(guān)系密切，在平面圖上存在兩次線位重疊或交叉，如圖2。

圖2　 K匝道與軌道平面關(guān)系圖

第一次：K匝道K0+172.444-K0+222.724斜跨軌道YK1+ 647.811-YK1+695.921段，兩者結(jié)構(gòu)上下凈距僅為1.26m。該段軌道為單洞暗挖隧道，初期支護由Φ22中空注漿錨桿、Φ22砂漿錨桿和210mm厚C25噴射混凝土組成，二襯采用C35混凝土，厚500mm，橫向主筋為Φ25@150。該段K匝道屬于路塹，因埋深較淺，采用明挖U型槽，凈寬7.7m，側(cè)墻最大臨空高度7.0m，側(cè)墻及底板厚0.55m，剖面關(guān)系如圖3。

圖3　明挖U型槽段與軌道三號線剖面關(guān)系

第二次：K匝道K0+302.296-K0+320.846垂直上跨軌道YK1+765.833-YK1+774.975段，兩者結(jié)構(gòu)上下凈距僅為3.18m。該段軌道為雙洞暗挖隧道，初期支護由Φ22中空注漿錨桿、Φ22砂漿錨桿和270～290mm厚C25噴射混凝土組成，二襯采用C35混凝土，厚650～700mm，橫向主筋為Φ25@150。該段K匝道為明挖下穿通道，采用箱型截面，凈空7.7m（寬）×6.0m（高），頂?shù)装寮皞?cè)墻厚0.75m，剖面關(guān)系如圖4。

圖4　車行地通道段與軌道三號線剖面關(guān)系

軌道三號線北延伸段采用跨坐式單軌，因該段隧道位于填土層中，基底土層段采用鋼花管注漿加固，同時，為確保軌道運營時軌道梁支座不產(chǎn)生沉降，設(shè)計將軌道梁支座設(shè)置在獨立樁基礎(chǔ)上，并將樁底深入中風(fēng)化巖層，獨立樁基礎(chǔ)與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)完全脫開，如圖5。

圖5　軌道三號線北延伸段典型襯砌圖

根據(jù)軌道公司與雙鳳橋組合式立交業(yè)主達成的協(xié)議，雙鳳橋K匝道施工將在軌道三號線北延伸段暗挖隧道完工后進行。由于軌道暗挖隧道修建在填土層中，所以K匝道路基開挖會對隧道襯砌內(nèi)力、變形產(chǎn)生較大影響。同時，K匝道路面與隧道頂距離很近，立交建成后，道路車輛集中荷載作用在隧道襯砌頂部，使襯砌局部受力增大，影響襯砌結(jié)構(gòu)安全。因此，需要采用有限元方法，模擬K匝道路基開挖對軌道隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響，并分析道路車輛集中荷載作用在襯砌上隧道的安全性能，根據(jù)計算結(jié)果對道路及隧道施工方案提出相關(guān)建議，為項目的設(shè)計、施工提供安全技術(shù)保障。

2　風(fēng)險源及分析內(nèi)容

根據(jù)以上分析，雙鳳橋立交K匝道對軌道三號線北延伸段隧道有兩個風(fēng)險項，具體如表1所示。

表1　風(fēng)險識別

采用有限元手段，預(yù)測K匝道基坑開挖和道路運營后對軌道區(qū)間隧道的位移影響。K匝道施工和修建完成后，對區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行計算，評價軌道三號線北延伸段相關(guān)結(jié)構(gòu)的安全性。

3　三維有限元分析

建立三維有限元模型分析K匝道施工和運營對軌道三號線北延伸段暗挖隧道的影響。

3.1三維計算模型

計算范圍內(nèi)的圍巖采用SOLID45三維實體單元，區(qū)間襯砌采用SHELL63三維殼體單元。為了確保三維模型有足夠計算精度并減少計算工作量，此次計算對范圍進行了一定的限制，沿軌道三號線縱向取200m，垂直于軌道三號線橫向取140m，從地表向下取80m，如圖6、圖7。

圖6　 K匝道建成三維有限元模型

圖7　 K匝道與區(qū)間隧道相互關(guān)系

3.2計算荷載、邊界條件及方法

3.2.1三維模型的計算荷載

結(jié)構(gòu)自重；區(qū)間隧道施工產(chǎn)生的圍巖釋放荷載；道路車道車輛荷載，按20kPa計算。

3.2.2三維模型的計算邊界條件

計算模型的底面約束豎直方向Y方向的自由度，側(cè)面約束側(cè)向X、Z方向的自由度，地表為自由面［1］。

3.2.3計算方法和收斂準(zhǔn)則

計算采用使用“生死”單元的方法實現(xiàn)區(qū)間隧道的開挖和支護。圍巖材料的屈服條件采用Drucker－Prager屈服準(zhǔn)則［2］。

3.3計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)鉆探所揭示的地層條件，現(xiàn)場從上到下主要為人工填土層、中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，地下水匱乏。軌道三號線暗挖隧道底部未進入中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層區(qū)域，采用鋼花管注漿的形式進行加固。K匝道采用機械開挖施工，施工完成后修建結(jié)構(gòu)物，并采用素填土回填，如表2。

表2　材料參數(shù)表

3.4三維模型計算結(jié)果

3.4.1計算步

目前軌道三號線北延伸段區(qū)間隧道正在修建，根據(jù)安排，交叉影響區(qū)范圍內(nèi)K匝道施工在暗挖隧道建成后開始建設(shè)，并在軌道通車前建設(shè)完成。整個計算模型共有17個計算步：

（1）計算模型用8個計算步分析軌道三號線間隧道施工完畢后的地應(yīng)力場，其中，計算步1分析自重作用下的初始應(yīng)力場；計算步2-8分析區(qū)間隧道暗挖施工后的二次應(yīng)力場；

（2）計算模型用9-14計算步模擬K匝道開挖；

（3）計算步15模擬K匝道結(jié)構(gòu)物修建；

（4）計算步16模擬K匝道建成后地表回填對區(qū)間隧道的影響；

（5）計算步17模擬K匝道運營后對區(qū)間隧道的影響。

3.4.2計算結(jié)果

通過三維計算模型得到不同階段下K匝道修建對軌道三號線區(qū)間隧道的位移影響結(jié)果。

從表3可看出，K匝道在開挖階段對區(qū)間隧道的變形影響都是卸載引起的隆起變形，最大變形為3.0mm位于隧道洞頂，仰拱處的位移量不大于1.0mm。K匝道建成回填并運營后，區(qū)間隧道的變形基本恢復(fù)到初始狀態(tài)，洞頂、仰拱的位移量都很小，不會影響軌道三號線北延伸段將來的正常運營。

表3　位移影響計算結(jié)果（單位：mm）

K匝道開挖過程中，區(qū)間隧道的側(cè)向變形最大2.6mm，如圖8、圖9，接近洞頂?shù)呢Q向變形，說明隧道變形有一定程度的扭轉(zhuǎn)，原因是K匝道與區(qū)間隧道重疊區(qū)域正好是隧道結(jié)構(gòu)斷面變化位置，由于結(jié)構(gòu)縫的存在削弱了襯砌縱向的抗扭能力［3］。K匝道建成后對開挖土體進行回填，該工序使區(qū)間隧道的側(cè)向變形得到恢復(fù)，如圖10、圖11，從最終狀態(tài)看，K匝道對區(qū)間隧道的側(cè)向位移影響較小。

圖8　開挖完成計算模型位移云圖（m）

圖9　開挖挖成隧道位移云圖（m）

圖10　建成運營計算模型位移云圖（m）

圖11　建成運營隧道位移云圖（m）

4　荷載結(jié)構(gòu)法分析

雙鳳橋K匝道施工后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生改變，采用荷載結(jié)構(gòu)法對區(qū)間二襯截面與配筋的復(fù)算校核。

4.1明挖U型槽段

該段區(qū)間隧道為獨立單洞，屬于淺埋隧道，運營的車輛荷載可考慮為均布荷載，按20kPa取值，K匝道運營時該段隧道內(nèi)力如圖12、圖13。

K匝道運營工況下的隧道結(jié)構(gòu)最不利位置拱腳處的受力分別為：M=244kN.m，N=619kN。對應(yīng)的軌道隧道襯砌厚650mm，環(huán)向主筋Φ25@150mm，該截面最大承載力為572.3kN· m，安全系數(shù)2.35，最大裂縫寬度0.048mm，可滿足規(guī)范要求。

圖12　 K匝道運營工況襯砌軸力圖（kN）

圖13　 K匝道運營工況襯砌彎矩圖（kN·m）

4.2車行地通道段

該段區(qū)間隧道為獨立雙洞，屬于淺埋隧道，運營的車輛荷載可考慮為均布荷載，按20kPa取值，K匝道運營時該段隧道內(nèi)力如圖14、圖15。

圖14　 K匝道運營工況襯砌軸力圖（kN）

圖15　 K匝道運營工況襯砌彎矩圖（kN·m）

K匝道回填并運營后隧道結(jié)構(gòu)最不利位置側(cè)墻處的受力分別為：M=227kN·m，N=652kN。對應(yīng)的軌道襯砌厚500mm，環(huán)向主筋Φ25@150mm，該截面最大承載力為544.8kN·m，安全系數(shù)2.41，最大裂縫寬度0.065mm，可滿足規(guī)范要求。

5　實施結(jié)果

目前，軌道交通三號線北延伸段主體結(jié)構(gòu)已全部完成，正進行附屬設(shè)施的施工及設(shè)備調(diào)試，預(yù)計年底完工運行。2015年6月，雙鳳橋立交建成通車，K匝道施工時，軌道集團委托檢測單位對立交影響范圍內(nèi)的區(qū)間隧道進行監(jiān)控量測，結(jié)果如下：

（1）隧道主體無新增裂縫，應(yīng)力變化幅度較??；

（2）K匝道開挖期間，拱頂?shù)淖畲舐∑鹱冃螢?.6mm，立交建成通車后，隧道頂隆起變形減小，約為-0.3mm，以上結(jié)果與有限元分析結(jié)果的3mm、-1.1mm基本相近，實際變形小于理論計算值。

6　結(jié)論

通過K匝道對軌道交通三號線北延伸段區(qū)間隧道影響的有限元仿真計算及荷載法分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）K匝道施工引起軌道區(qū)間隧道的變形以豎向隆起為主，洞頂最大變形3.0mm，仰拱最大變形0.65mm，均能滿足軌道三號線北延伸段安全運營的變形標(biāo)準(zhǔn)；

（2）K匝道施工和運營引起軌道區(qū)間隧道襯砌內(nèi)力變化在設(shè)計安全范圍內(nèi)，改變后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力仍滿足承載力要求和抗裂要求，不需要對軌道結(jié)構(gòu)加固；

（3）通過對比施工階段監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，隧道實際變形與有限元理論分析結(jié)果基本相近，小于理論計算值，表明分析手段及參數(shù)取值基本得當(dāng)，隧道結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻：

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Finite Element Analysis on Impacts of Ramp K of Shuangfengqiao Interchange on Northern Extended Section of Rail Transit Line Three

Key words:finite element analysis；shallow tunnel；displacement impact；loading calculation；boundary conditions

Abstract：Chongqing Rail Transit Line 3 passes underneath Shuangfengqiao Interchange，and its shallow tunnel is close to Ramp K of the interchange. Since the tunnel is constructed earlier，the construction and operation of the ramp probably affect the safety of the rail structure. With finite element method of three-dimensional elastoplasticity，the internal force and deformation of the tunnel structure in the construction and operation of ramp K is simulated and analyzed. The results show that the bearing capacity，deformation and cracking resistance of the shallow tunnel of rail transit line 3 meet the requirements of national standards，and the structure is secure.

中圖分類號：TU31

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）05-0049-04

收稿日期：2016-02-23

作者簡介：劉慶（1975-），男，四川廣漢人，本科，高級工程師，主要從事路橋設(shè)計工作。

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.05.049