盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路框構(gòu)橋有限元計(jì)算與應(yīng)力分析

趙 瑾

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

地鐵建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境的安全性影響與建(構(gòu))筑物保護(hù)之間的矛盾已日益突顯，有必要在施工前對(duì)既有建(構(gòu))筑物的受力情況進(jìn)行模擬計(jì)算，提前發(fā)現(xiàn)問題。以沈陽地鐵9號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿公鐵框構(gòu)橋?yàn)槔M(jìn)行相應(yīng)的分析。

1 工程概況

沈陽地鐵9號(hào)線皇姑屯站至北一路站區(qū)間為雙線盾構(gòu)隧道，區(qū)間全長(zhǎng)右807.050延長(zhǎng)米。區(qū)間線路線間距最大為15.09m，最小為14m，在區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底最大埋深25.96m(覆土厚度19.96m)，最小埋深15.71m(覆土厚度9.71m)。隧道內(nèi)經(jīng)5.4m，外徑6.0m。管片材料為300mm厚的C50鋼筋混凝土預(yù)制管片。

興華街公鐵地道橋?yàn)?-15.5m鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中1號(hào)橋橋長(zhǎng)51.7m，寬20.8m，高9.1m，2號(hào)橋橋長(zhǎng)83.4m，寬20.8m，高7.73m，結(jié)構(gòu)尺寸均為頂板0.8m,側(cè)墻1.1m,底板1.1m。區(qū)間正線與興華街公鐵地道橋1、2號(hào)橋分別在DK3+325.54、DK3+224.36處相交，橋基底距隧道頂最小埋深6.9m。框構(gòu)橋下穿秦沈上下行、沈山上下行，動(dòng)車組4條停車線及皇姑車輛車廠線11條線路。框構(gòu)橋與隧道的位置關(guān)系如圖1所示。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

2.1 地形、地貌

地形變化平緩，地面標(biāo)高介于42.78～44.42m之間。地貌類型為渾河高漫灘及古河道。

①填土：主要由黏性土、碎石及砂類土組成，局部含少量建筑垃圾、生活垃圾(個(gè)別地段為垃圾填埋場(chǎng))，馬路地段表層為瀝青路面，瀝青路面下為碎石墊層，稍濕，松散。

③-5-2細(xì)砂：灰褐色，局部黃褐色，石英-長(zhǎng)石質(zhì)，次棱角形，均粒結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配差，含約15%黏性土，濕，稍密。

③-6-3中砂：黃褐色，石英-長(zhǎng)石質(zhì)，次棱角形，均粒結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配差，含約10%黏性土，局部為粗砂夾層，濕，稍密～中密。

③-8-3礫砂：黃褐色，石英-長(zhǎng)石質(zhì)，棱角形，混粒結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配較好，含約20%黏性土，局部為圓礫薄層，濕，水下飽和，稍密～中密，局部密實(shí)。

④-1-33粉質(zhì)黏土：灰褐色，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，搖震反應(yīng)無，可塑～硬塑。

④-7-4粗砂：黃褐色，石英-長(zhǎng)石質(zhì)，次棱角形，均粒結(jié)構(gòu)，顆粒級(jí)配差，含少量黏性土，濕，水下飽和，中密～密實(shí)。

④-9-4圓礫：主要由結(jié)晶巖組成，顆粒呈微風(fēng)化狀，亞圓形，混粒結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬，顆粒級(jí)配較好，一般粒徑2～20mm，約占總質(zhì)量的70%，最大粒徑100mm，充填約20%的混粒砂和黏性土，局部為卵石層，中密～密實(shí)。

⑤-9-4圓礫：主要由結(jié)晶巖組成，顆粒呈微風(fēng)化狀，亞圓形，混粒結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬，顆粒級(jí)配較好，一般粒徑2～20mm，約占總質(zhì)量的70%，最大粒徑100mm，充填約20%的混粒砂和黏性土，局部為卵石層，中密～密實(shí)。

2.2 水文地質(zhì)

本區(qū)間位于沖洪積扇尾部，沉積的地層顆粒不均，局部沉積有黏性土層，分布不連續(xù)。因此區(qū)間沿線路僅存在一層地下水，賦存于圓礫、礫砂等強(qiáng)透水層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。局部地段存在由地下管道、工業(yè)及生活用水入滲形成的上層滯水。地下水類型為孔隙潛水，穩(wěn)定水位埋深在11.8～13.0m。地下水水溫10～12℃。地下水主要補(bǔ)給來源為渾河側(cè)向補(bǔ)給及大氣降水垂直入滲補(bǔ)給。主要排泄方式為徑流排泄和地下水的人工開采。地下水總體上沿含水層向下游徑流運(yùn)移，即地下水流向總的方向是由東向西。但由于受人工開采地下水的影響，局部地下水流向會(huì)有所變化。

3 計(jì)算模型

采用三維有限元對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)行了模擬,采用的軟件為大型有限元通用軟件Midas-GTS。數(shù)值計(jì)算模型范圍：模型長(zhǎng)度為93.6m，寬度為68.4m，高度為50.8m；模型約束：前、后及左、右面邊界均采用水平約束，底邊界受豎向約束，頂面為自由面；計(jì)算模型共劃分40438個(gè)單元，40561個(gè)節(jié)點(diǎn)。土層、既有框構(gòu)橋均采用實(shí)體單元，不同的土層采用不同的材料參數(shù)模型，土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，既有框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型。計(jì)算恒荷載考慮自重、軌道荷載、公路路面鋪裝；計(jì)算活荷載考慮列車荷載(滿載)、汽車荷載。分析模型如圖2所示：

4 計(jì)算參數(shù)

由于地層變化的原因。相近土體進(jìn)行合并，并取多個(gè)鉆孔土層參數(shù)資料進(jìn)行加權(quán)平均。土層主要是細(xì)砂、中砂、礫砂、粉質(zhì)黏土、圓礫及粗紗。具體計(jì)算參數(shù)如表1、表2、表3所示。

5 計(jì)算分析

在原始地層條件下，模擬盾構(gòu)施工過程框構(gòu)橋橋體受力分析。

(1)盾構(gòu)機(jī)未臨近框構(gòu)橋時(shí)，框構(gòu)橋主應(yīng)力分布情況如圖3、圖4。

(2)左線下穿橋體(盾構(gòu)刀盤到達(dá)橋體端部)后，框構(gòu)橋主應(yīng)力分布情況如圖5、圖6。

表1 地基土變形參數(shù)、粘聚力及內(nèi)摩擦角推薦值表

表2 基床系數(shù)、靜止側(cè)壓力系數(shù)及泊松比一覽表

表3 不同距離爆破所允許的最大同時(shí)起爆藥量

(3)左線盾構(gòu)刀盤離開橋體18環(huán)(21.6m)后，框構(gòu)橋主應(yīng)力分布情況如圖7、圖8。

(4)右線下穿橋體(盾構(gòu)刀盤到達(dá)橋體端部)后，框構(gòu)橋主應(yīng)力分布情況如圖9、圖10。

(5)右線盾構(gòu)刀盤離開橋體18環(huán)(21.6m)后，框構(gòu)橋主應(yīng)力分布情況如圖11、圖12。

6 結(jié)語

在原始地層條件下，進(jìn)行盾構(gòu)施工。從盾構(gòu)施工各階段框構(gòu)橋主應(yīng)力分布云圖可以看出，左線下穿橋體(盾構(gòu)刀盤到達(dá)橋體端部)后，既有框構(gòu)橋最大拉應(yīng)力由1.43MPa減小至1.41MPa，最大壓應(yīng)力由3.1MPa減小至3.09MPa；左線盾構(gòu)刀盤離開橋體18環(huán)(21.6m)后，框構(gòu)橋最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別變?yōu)?.42MPa和3.09MPa，表明橋體受力狀態(tài)變化均較小；右線下穿橋體(盾構(gòu)刀盤到達(dá)橋體端部)后，框構(gòu)橋最大拉應(yīng)力由1.42MPa下降至1.16MPa，最大壓應(yīng)力由3.09MPa下降至2.74MPa，右線盾構(gòu)刀盤離開橋體18環(huán)(21.6m)后，框構(gòu)橋最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別變?yōu)?.15MPa和2.64MPa，對(duì)既有橋內(nèi)力影響反而減少。根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)，盾構(gòu)區(qū)間左右線分別下穿既有框構(gòu)橋引起應(yīng)力變化較小，從受力分析來看無需對(duì)框構(gòu)橋下地層進(jìn)行加固。