臨近箱涵施工對地鐵車站影響的數(shù)值模擬分析

曹海青 劉 賀 顧煒澄

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

0 引言

近年來，城市化進程不斷加快，人們生活節(jié)奏不斷加快，地鐵因其運量大、速度快、安全、準時、環(huán)保、節(jié)約能源和用地等優(yōu)點，成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x。地鐵的建設和開通，深刻的影響著城市的發(fā)展和空間形態(tài)，極大的提升了地鐵沿線土地資源的利用價值，使得地鐵周邊的建設活動不斷增多[1]。工程建設多伴隨有土體的開挖。開挖會引起地層應力場和位移場重新分布，對臨近已建地鐵設施產(chǎn)生附加應力和變形，給地鐵設施的保護提出了更高要求[2-4]。然而從目前研究的現(xiàn)狀來看，由于基坑工程施工工藝復雜，且場地條件多樣，對于基坑對地鐵車站、區(qū)間的影響尚無精確的解析解[5]。現(xiàn)階段常采用數(shù)值模擬的方法對地鐵隧道和車站的變形進行評估。如何模擬開挖對地鐵隧道的影響目前已有了許多研究[6]，而對于箱涵施工對地鐵車站的影響鮮有提及[7，8]。

箱涵基坑多為狹長的矩形，施工期間將造成周圍土體應力改變，從而導致一系列力學行為變化，對下方既有地鐵的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[9]，地鐵車站一般為箱型結(jié)構，結(jié)構抗變形能力較強，受外部影響較小。然而常州地鐵受區(qū)域地質(zhì)影響，地鐵車站多處于富水砂層，增加了車站的環(huán)境敏感性，且一旦出現(xiàn)事故危害極大，這無疑給該地區(qū)地鐵設施保護提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[10]。

本文以嫩江路框架箱涵上跨常州地鐵一號線旅游學校站工程為背景，采用ABAQUS軟件分析評估了箱涵施工對下方既有地鐵車站變形和受力情況的影響，分析方法和結(jié)果可為類似工程借鑒。

1 工程概況

項目位于常州市新北區(qū)已建地鐵1號線旅游學校站，工程范圍有一條規(guī)劃河道，規(guī)劃河寬25 m，河道尚未開挖。河道與地鐵1號線走向正交，箱涵位于地鐵車站正上方，箱涵走向與車站走向垂直。

車站為11 m島式站臺，地下兩層雙跨(局部三跨)矩形框架結(jié)構，車站標準段寬度為19.7 m，車站圍護結(jié)構外包總長為464.45 m。車站頂板覆土2.8 m～4.2 m，標準段底板埋深17.0 m～17.8 m，端頭井底板埋深18.6 m～19.5 m。

箱涵土體開挖原則上考慮整體開挖。此框架箱涵基坑開挖深度約4 m，開挖土料部分就地堆放，框架箱涵施工完成后用于此處的回填，其余土方全部外棄。

2 工程與水文地質(zhì)條件

工程場地位于常州市新北區(qū)，屬沖湖積高亢平原區(qū)，場地地形平坦。場地土層可劃分為6個大層，14個亞層，其中本工程箱涵施工主要涉及的土層有：黏土、粉砂夾粉質(zhì)黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土。

常州市北臨長江，南瀕太湖，區(qū)內(nèi)地表水系極為發(fā)育，為太湖上游高水網(wǎng)區(qū)。擬建場地的地下水類型主要有上層滯水和Ⅰ1層承壓水。

3 箱涵施工對下方地鐵車站影響的三維數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

本次模擬分析選取大型通用有限元軟件ABAQUS作為計算平臺。

模型計算深度取50 m，南北向計算寬度取60 m，東西向計算寬度取60 m；橋梁南北最寬約50 m，河道東西最寬約25 m。根據(jù)計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元295 965個。建立的“地鐵站結(jié)構—樁基—箱涵”的三維計算模型如圖1所示。

3.2 材料本構模型和計算參數(shù)

3.2.1土層本構關系及參數(shù)

假定土層是均質(zhì)的和各向同性的且為水平層狀分布，巖土體采用Mohr-Column彈塑性本構模型，綜合考慮地勘報告資料確定土層力學參數(shù)，見表1。

表1 土層物理力學參數(shù)

3.2.2鋼和混凝土本構關系及參數(shù)

鋼和混凝土本構關系采用整體式的理想彈性模型，表達式：σ=Eε。

有關鋼和混凝土物理參數(shù)按規(guī)范取值，見表2?？紤]隧道襯砌管片的接頭對襯砌結(jié)構剛度的影響,剛度折減系數(shù)取0.8。

表2 混凝土和鋼筋計算參數(shù)

3.3 數(shù)值計算分析工況與步驟

擬計算的主要步驟如下所示：

資料的收集和分析→模型規(guī)劃及建立(3D模型)→初始重力場計算→重力場初始化地應力平衡→樁基施工，計算系統(tǒng)內(nèi)力和變位→一次開挖箱涵基坑，計算系統(tǒng)內(nèi)力和變位→整體澆筑箱涵，計算系統(tǒng)內(nèi)力和變位→道路施工及交通荷載施加，計算系統(tǒng)內(nèi)力和變位→成果分析與總結(jié)。

3.4 計算結(jié)果分析

3.4.1地層變形

地鐵車站變形位移主要受地層豎向位移影響，因此計算模型的整體位移主要討論豎向位移(DY)?？紤]到整個施工過程中，既有加載工序，又有卸載工序，因此模型整體豎向位移最大值分別按下沉(DY(-))和上浮(DY(+))兩個方向討論。模型各階段地層豎向變形計算結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)上述數(shù)值計算結(jié)果可以看出，箱涵施工影響范圍內(nèi)土體，最大沉降出現(xiàn)在道路施工和交通荷載施加時，部位為基坑周邊路面處，最大沉降量為11.2 mm，其次為一次完全開挖箱涵基坑時，部位為開挖部分兩側(cè)，最大沉降量為6 mm；最大上浮變形出現(xiàn)在一次完全開挖箱涵基坑時基坑底部，上浮量為6.7 mm；整個施工過程中最大沉降量為19.3 mm，最大上浮量為6.8 mm；箱涵澆筑完成施工路面和交通荷載后，土體最終沉降量為19.3 mm，最大上浮量為4.2 mm，各模擬階段地層變化如圖3所示。

3.4.2地鐵車站變形

地鐵車站結(jié)構剛度較大，施工引起的側(cè)向變形極小，因此，地鐵車站結(jié)構位移重點關注豎向(DY)的變形結(jié)果，見圖4。

根據(jù)上述數(shù)值計算結(jié)果可以看出，路面施工和交通荷載施加引起的地鐵車站結(jié)構沉降變形最大，車站頂部沉降最大值為1.5 mm；箱涵基坑開挖引起車站結(jié)構上浮變形最大值為2.3 mm，之后箱涵澆筑、路面施工及交通荷載的施加使上浮量逐漸減少，最終上浮量為0.1 mm。各模擬階段車站變化如圖5所示。

4 結(jié)語

1)箱涵施工過程中其影響范圍內(nèi)的土體會產(chǎn)生相應的豎向變形，其中基坑周圍路面處的土體表現(xiàn)為沉降，其沉降量各階段不斷增大，在土體開挖和交通荷載施加兩個階段變化最大，分別變化了6 mm和8.2 mm，累計沉降最大值為19.3 mm。而基坑底部土體表面為上浮，主要表現(xiàn)在箱涵開挖階段，最大上浮量為6.8 mm，隨著箱涵的澆筑和交通荷載的施加，上浮量會有所減少。

2)箱涵施工過程中地鐵車站最大上浮量出現(xiàn)在箱涵開挖階段地鐵車站上部，最大上浮為2.3 mm，之后隨著箱涵的澆筑及交通荷載施加，逐漸減小趨于0；車站結(jié)構箱涵開挖及澆筑過程中未見明顯下沉變化，僅在交通荷載施加后車站兩側(cè)出現(xiàn)變形，最大沉降量為1.5 mm。

3)箱涵施工的各個階段均會引起地鐵車站結(jié)構發(fā)生位移，地鐵車站及隧道結(jié)構位移最大區(qū)域位于箱涵下方，總體呈現(xiàn)隨離箱涵距離的增加而減少的趨勢。相應的變形多出現(xiàn)在箱涵的開挖及后期交通荷載的施加階段，應加強對這兩個階段的變形監(jiān)測，保證地鐵結(jié)構安全。

4)地鐵車站的變形與車站周圍地層變形存在一定的關聯(lián)：地層土體是存在于基坑與地鐵之間的有效介質(zhì)，地層土體變形間接的反映了地鐵結(jié)構的變形，當?shù)罔F結(jié)構周圍地層發(fā)生較大變形時，地鐵受力較大，變形也較大。

5)從本次模擬結(jié)果來看，嫩江路框架箱涵施工過程中對下部地鐵車站產(chǎn)生的變形量在允許范圍之內(nèi)，因此該箱涵施工及使用不會危及到下方地鐵車站的結(jié)構安全，不影響地鐵的正常運營。