某地鐵隧道下穿現有地鐵車站出入口變形分析

渠昀山

隨著我國城市化建設的不斷推進,大城市交通狀況日趨惡化,人們逐漸把目光轉向了地下空間,根據城市街道條件采用立體化布局,在既有運營地鐵下方開挖隧道的方式也逐漸擺在了人們面前,由于新開挖隧道的施工將不可避免地引起既有地鐵發生隆起、沉降、側傾等變形,且運營期間又給既有地鐵帶來振動的影響。因此,為確保新開挖隧道施工期間及運營期間既有地鐵的安全,需要對沿線地鐵安全性的影響進行充分的評估論證。

本文以某一實際工程為例采用FLAC3D軟件分析由于地下隧道開挖引起的土體沉降,造成既有地鐵車站出入口結構各部位產生不同的沉降變形,為施工提供科學依據。

1 工程概況

在既有地鐵車站出入口,新開挖隧道外側頂部與出入口梯道底板下邊緣凈距離為20.204 m,新開挖隧道外側南部與出入口南側墻外邊緣凈距離為0.99 m,新開挖軌道頂部埋深為35.17 m;出入口梯道底板埋深為7.175 m,如圖1所示。

2 計算假定及建模思想

地層模型假定土體為連續介質,地層模型的建立基于大變形模式的彈塑性理論。采用以有限差分法(FDM)為基本算法的FLAC3D軟件,計算土體變形。

2.1 幾何仿真模型的建立

1)地層結構模型計算域的確定。圖1描述了現有車站出入口與下穿隧道間的相互關系。計算模型在 x方向(南北向)取94 m;y方向(東西向)取至既有結構邊界兩側各 2.5D,為63.2 m;z方向上取至地面,下取至下穿隧道底部以下3D處,為 71.4 m,如圖2,圖3所示。2)地層結構模型單元劃分。既有車站出入口的分析計算采用FLAC3D有限差分程序,建立土體結構整體模型,其中地層土體采用8節點塊單元生成,隧道管片采用Shell單元模擬,出入口結構采用實體單元模擬。整體模型中地層土體和隧道管片共劃分單元 106 428個,節點總數為111 736個,如圖2所示。出入口結構的頂板、底板、側墻和隧道管片按混凝土材料模擬(未考慮鋼筋的影響)。

2.2 模型邊界條件及計算參數的確定

1)邊界條件。整體模型的地層土體邊界條件均采用側面固定法向位移,上表面取為自由邊界,底部為固定邊界。假定出入口結構、隧道管片及地層土體之間符合變形協調原則。

2)地層結構模型計算參數的選取。地層土體均采用Mohrcolumn模型,土體的參數取值參照土工試驗報告;隧道施工考慮一次開挖成型,注漿體影響范圍取徑向0.2 m,隧道開挖引起周圍土體的應力釋放率取27%。

2.3 計算荷載

1)結構自重力。2)土體自重力。3)地面超載(是簡化為永久作用的豎向均布荷載,20 kPa)。

2.4 計算結果

采用地層結構模型預測下穿隧道開挖引起的地面沉降,下穿隧道按一次開挖貫通考慮,不考慮洞體的分段掘進過程對地表沉降的影響。根據FLAC3D計算所得到的地層結構模型的數值結果,可得到出入口結構剖面1—1～4—4的預測地表沉降變形曲線和結構底板的預測沉降曲線(見圖 4)。地表最大沉降量為12.86 mm,結構底板最大沉降為 16.53 mm。

3 結語

從結構的位移分布云圖來看,垂直方向位移主要分布在通道與機房的交接處,之所以出現這種情況,是因為隧道處于其垂直正下方,隧道開挖后,隨著土體受到擾動程度的增大,土體隨之變形,并不斷的向地表方向擴展。數值計算結果表明,樓梯和機房通道交接處,垂直位移較大,最大位移量約為 13.3 mm,平均位移約13.2 mm。在隧道的施工階段,應對此位置的結構密切關注,一旦出現異常變形,應及時采取補救措施,以防意外發生。

[1] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 杜建華,高 謙,宋衛東,等.北京地鐵隧道下切穿越 1號線施工過程模擬研究[J].鐵道建筑,2008(3):50-53.

[3] 譚信榮,陳壽根,閆超平,等.地鐵隧道施工全過程模擬技術研究[J].四川建筑,2009(9):234-237.

[4] 劉紀峰,劉 波,陶龍光.基于彈塑性分析的淺埋盾構隧道地表沉降控制[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2009(1):28-33.

[5] 陳 松.公路隧道圍巖變形監測與分析[J].山西建筑,2008,34(30):321-322.