運(yùn)營(yíng)地鐵上方箱涵施工數(shù)值模擬分析與實(shí)測(cè)研究

陳紅星，吳康寅，周 浩

[悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，江蘇 蘇州215123]

1 概述

蘇州高鐵新城民四南路箱涵工程位于在運(yùn)行軌道2 號(hào)線淺埋段，軌道結(jié)構(gòu)頂面至現(xiàn)狀地表覆土厚度約為3.0 m。箱涵跨越規(guī)劃河道，規(guī)劃河寬15 m，河道尚未開挖。

考慮到減少施工期間對(duì)軌道的影響，并結(jié)合河道同步施工，方案采用箱涵結(jié)構(gòu)。箱涵作為狹長(zhǎng)型基坑，其開挖將會(huì)對(duì)下方既有蘇州軌道交通2 號(hào)線工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，其最本質(zhì)的原因是箱涵的開挖卸荷引起軌道周邊土體應(yīng)力狀態(tài)的重新分布，從而導(dǎo)致一系列力學(xué)行為的變化[1，2]。因此，研究制定合理的工程方案，分析箱涵施工對(duì)在軌道的影響對(duì)保證軌道的安全運(yùn)行具有重要的意義。

2 工程方案

蘇州軌道交通2 號(hào)線高鐵蘇州北站—大灣站區(qū)間采用明挖暗埋的形式，暗埋段北起高鐵蘇州北站至隧道洞口DK0+830 為地下矩形隧道。本段區(qū)間主體結(jié)構(gòu)為單跨或雙跨一層箱型框架結(jié)構(gòu)，區(qū)間結(jié)構(gòu)外包寬度21.35～11.424 m，覆土厚度1.803～3.96 m。區(qū)間與車站接口由于處于道岔區(qū)未設(shè)置變形縫，結(jié)構(gòu)鋼筋均從車站預(yù)埋的鋼筋接駁器上接出；暗埋段與敞開段接口處設(shè)置變形縫。

考慮到減少施工期間對(duì)軌道的影響，并結(jié)合河道同步施工，工程方案采用箱涵結(jié)構(gòu)。涉軌范圍的箱涵由若干個(gè)3 m×3.4 m 預(yù)制小節(jié)段組成，箱涵節(jié)段采用預(yù)制后吊裝的方案，出了軌道范圍后，考慮到施工方便和周邊景觀需要，采用現(xiàn)澆的單孔箱涵，跨徑為凈9～14.4 m，見圖1。

圖1 箱涵節(jié)段橫斷面總體布置圖（單位：cm）

箱涵施工時(shí)采取以下措施：

（1）僅在夜間軌道停運(yùn)期間進(jìn)行施工。

（2）施工時(shí)采用分倉(cāng)分格小節(jié)段施工，嚴(yán)格按照挖一段吊裝一段的步驟，避免開挖土方過(guò)多造成軌道暗埋段上浮，見圖2。

圖2 箱涵與軌道2 號(hào)線斷面關(guān)系圖（單位：cm）

（3）施工過(guò)程中，嚴(yán)格檢測(cè)軌道暗埋段結(jié)構(gòu)及軌道設(shè)施（行車軌道等）的變形量?，F(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備充足的配重沙袋，若土方開挖后，軌道結(jié)構(gòu)變形超過(guò)相關(guān)要求，則立即停止開挖施工，向基坑內(nèi)堆載事先準(zhǔn)配好的沙袋配重，直至暗埋段結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定。

3 箱涵施工對(duì)軌道的影響分析

3.1 有限元模型建立

箱涵位于地鐵結(jié)構(gòu)上方，根據(jù)箱涵基坑幾何尺寸并結(jié)合基坑開挖施工對(duì)臨近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，本模型計(jì)算深度取30 m；箱涵整體長(zhǎng)約39 m，南北最寬約16.6 m，箱涵位于軌道2 號(hào)線上方偏西側(cè)，其中箱涵西端距地鐵右線邊緣約17.4 m，箱涵東端距地鐵邊緣約5.6 m。因地鐵軌道外包距離約16 m，為充分考慮箱涵整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化計(jì)算模型，提高計(jì)算效率，對(duì)垂直于地鐵隧道軸向方向的東西方向取為64 m，東側(cè)及西側(cè)參照按軌道中心線分別對(duì)稱取至距軌道邊緣24 m 處；南北方向箱涵尺寸小于東西方向，計(jì)算范圍以箱涵中心線為軸按南北對(duì)稱取為58 m。

模擬箱涵分節(jié)段施工，對(duì)土體、箱涵結(jié)構(gòu)、地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維精細(xì)模擬，土體、地鐵結(jié)構(gòu)外墻、箱涵整體結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元。本基坑開挖無(wú)支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用放坡形式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工最不利工況，放坡坡腳取為75°。根據(jù)計(jì)算模型大小，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精確度，共計(jì)剖分單元24680 個(gè)。建立的“地鐵- 土體- 箱涵”的三維計(jì)算模型見圖3、圖4。

圖3 地鐵- 土體- 箱涵有限元計(jì)算模型

圖4 箱涵有限元計(jì)算模型

3.2 材料本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)

（1）土層本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)

地基各土層采用彈塑性D-P 模型, 各地質(zhì)土層的主要物理參數(shù)見表1（分為八個(gè)土層：1-1 回填土，1-2 淤 泥，1-3 素 填 土，2-1 淤 泥 質(zhì) 粉 質(zhì) 黏 土，3 黏土，4 粉質(zhì)黏土，5 粉土，6 粉質(zhì)黏土夾粉土，7 粉土，8粉質(zhì)黏土），見表1。

表1 地勘土體參數(shù)表

（2）混凝土本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用理想彈性模型，相關(guān)取值見表2。

表2 混凝土計(jì)算參數(shù)

3.2 施工過(guò)程

本項(xiàng)目箱涵由中部8 個(gè)預(yù)制節(jié)段及兩端部敞口段組成，隧道頂部箱涵分節(jié)段由西向東逐節(jié)吊裝，見圖5。箱涵施工完成后上部作用30 kPa 的車輛載荷。

圖5 箱涵施工順序示意

3.3 計(jì)算結(jié)果

由于箱涵結(jié)構(gòu)施工，基坑開挖卸載，其底部土體回彈，坑底變形隆起、周邊地表沉降，從而帶動(dòng)下臥地鐵隧道區(qū)間發(fā)生變位，其變形量的大小是判別地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與否的重要依據(jù)?！冻鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013）中規(guī)定軌道結(jié)構(gòu)安全控制值指標(biāo)為：結(jié)構(gòu)最大水平位移小于20 mm，隧道變形曲率半徑大于15000 m，相對(duì)曲率不大于1/25000[3]。

計(jì)算結(jié)果表明，由于箱涵結(jié)構(gòu)位于地鐵結(jié)構(gòu)上方，地鐵區(qū)間變形以豎向變形為主。施工完成后土體最大隆起量為12.47 mm，地鐵結(jié)構(gòu)豎向最大隆起量為2.1 mm；區(qū)間隧道變形曲率半徑最小為53378 m，相對(duì)變形曲率1/7207，見圖6、圖7。根據(jù)施工期間監(jiān)測(cè)結(jié)果，施工完成后土體累計(jì)隆起量為8.13 mm，地鐵結(jié)構(gòu)豎向最大隆起量為1.2 mm；區(qū)間隧道變形曲率半徑為82000 m，相對(duì)變形曲率1/5168，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為接近，均滿足規(guī)范要求。

圖6 模型豎向位移

圖7 周家嘴項(xiàng)目全預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)圖

圖7 地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移

4 結(jié)語(yǔ)

受到開挖卸荷及回填加載影響，箱涵結(jié)構(gòu)開挖及回填引起地鐵區(qū)間隧道發(fā)生位移。本文就高鐵新城民四南路箱涵建立了“地鐵- 土體- 箱涵”的3D 模型，充分考慮了土與箱涵結(jié)構(gòu)、土與地鐵結(jié)構(gòu)的空間作用，計(jì)算了箱涵結(jié)構(gòu)分節(jié)段開挖、分序吊裝的地表變形及地鐵結(jié)構(gòu)的變位，得出結(jié)論如下：

（1）對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)采取分節(jié)段施工，各節(jié)段開挖及回填量很少，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的變形擾動(dòng)影響較小。

（2）實(shí)測(cè)結(jié)果表明施工完成后土體最大隆起量為8.13 mm，地鐵結(jié)構(gòu)豎向最大隆起量為1.2 mm；區(qū)間隧道變形曲率半徑最小為82000 m，相對(duì)變形曲率1/5168，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為接近，均滿足城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全指標(biāo)控制值。

（3）本文通過(guò)建立三維有限元模型分析了蘇州高鐵新城民四南路箱涵結(jié)構(gòu)分段開挖、分序吊裝對(duì)地表變形及地鐵結(jié)構(gòu)的影響，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以確保下臥地鐵結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，可為類似工程提供借鑒和參考。