臨近箱涵施工對(duì)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(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

0 引言

近年來，城市化進(jìn)程不斷加快，人們生活節(jié)奏不斷加快，地鐵因其運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)時(shí)、環(huán)保、節(jié)約能源和用地等優(yōu)點(diǎn)，成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x。地鐵的建設(shè)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(jià)值，使得地鐵周邊的建設(shè)活動(dòng)不斷增多[1]。工程建設(shè)多伴隨有土體的開挖。開挖會(huì)引起地層應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)重新分布，對(duì)臨近已建地鐵設(shè)施產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，給地鐵設(shè)施的保護(hù)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(fù)雜，且場(chǎng)地條件多樣，對(duì)于基坑對(duì)地鐵車站、區(qū)間的影響尚無精確的解析解[5]?，F(xiàn)階段常采用數(shù)值模擬的方法對(duì)地鐵隧道和車站的變形進(jìn)行評(píng)估。如何模擬開挖對(duì)地鐵隧道的影響目前已有了許多研究[6]，而對(duì)于箱涵施工對(duì)地鐵車站的影響鮮有提及[7，8]。

箱涵基坑多為狹長(zhǎng)的矩形，施工期間將造成周圍土體應(yīng)力改變，從而導(dǎo)致一系列力學(xué)行為變化，對(duì)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(gòu)，結(jié)構(gòu)抗變形能力較強(qiáng)，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(shè)施保護(hù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[10]。

本文以嫩江路框架箱涵上跨常州地鐵一號(hào)線旅游學(xué)校站工程為背景，采用ABAQUS軟件分析評(píng)估了箱涵施工對(duì)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(xiàng)目位于常州市新北區(qū)已建地鐵1號(hào)線旅游學(xué)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(hào)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(tái)，地下兩層雙跨(局部三跨)矩形框架結(jié)構(gòu)，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.7 m，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)外包總長(zhǎng)為464.45 m。車站頂板覆土2.8 m～4.2 m，標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)地位于常州市新北區(qū)，屬?zèng)_湖積高亢平原區(qū)，場(chǎng)地地形平坦。場(chǎng)地土層可劃分為6個(gè)大層，14個(gè)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(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(jì)算平臺(tái)。

模型計(jì)算深度取50 m，南北向計(jì)算寬度取60 m，東西向計(jì)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(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295 965個(gè)。建立的“地鐵站結(jié)構(gòu)—樁基—箱涵”的三維計(jì)算模型如圖1所示。

3.2 材料本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)

3.2.1土層本構(gòu)關(guān)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(gòu)模型，綜合考慮地勘報(bào)告資料確定土層力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2鋼和混凝土本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)

鋼和混凝土本構(gòu)關(guān)系采用整體式的理想彈性模型，表達(dá)式：σ=Eε。

有關(guān)鋼和混凝土物理參數(shù)按規(guī)范取值，見表2。考慮隧道襯砌管片的接頭對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)剛度的影響,剛度折減系數(shù)取0.8。

表2 混凝土和鋼筋計(jì)算參數(shù)

3.3 數(shù)值計(jì)算分析工況與步驟

擬計(jì)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(chǎng)計(jì)算→重力場(chǎng)初始化地應(yīng)力平衡→樁基施工，計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)力和變位→一次開挖箱涵基坑，計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)力和變位→整體澆筑箱涵，計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)力和變位→道路施工及交通荷載施加，計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)力和變位→成果分析與總結(jié)。

3.4 計(jì)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(jì)算模型的整體位移主要討論豎向位移(DY)?？紤]到整個(gè)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(gè)方向討論。模型各階段地層豎向變形計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)上述數(shù)值計(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)基坑底部，上浮量為6.7 mm；整個(gè)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(gòu)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(gòu)位移重點(diǎn)關(guān)注豎向(DY)的變形結(jié)果，見圖4。

根據(jù)上述數(shù)值計(jì)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(gòu)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(gòu)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(yǔ)

1)箱涵施工過程中其影響范圍內(nèi)的土體會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)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(gè)階段變化最大，分別變化了6 mm和8.2 mm，累計(jì)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(huì)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(gòu)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(gè)階段均會(huì)引起地鐵車站結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，地鐵車站及隧道結(jié)構(gòu)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(shì)。相應(yīng)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(yīng)加強(qiáng)對(duì)這兩個(gè)階段的變形監(jiān)測(cè)，保證地鐵結(jié)構(gòu)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(guān)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(gòu)的變形，當(dāng)?shù)罔F結(jié)構(gòu)周圍地層發(fā)生較大變形時(shí)，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(duì)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(huì)危及到下方地鐵車站的結(jié)構(gòu)安全，不影響地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。