某大道立交改建工程對臨近磁浮線數(shù)值模擬研究

張春鋒 （上海勘察設計研究院（集團）有限公司，上海200093）

1 概況

1.1 工程概況

擬建凌空路～迎賓大道立交改建工程河道工程，工程地點位于凌空路與迎賓大道交叉口，擬開挖河道全長約470m，河道總寬度約30m，河道開挖深度4.0m，河道北側局部擬開挖面積約3000m2的湖泊。擬開挖河道湖泊與磁懸浮位置關系如圖1所示，河道護岸斷面如圖2所示[1]，河道坡頂距離磁懸浮最近處約18.5m，最遠約67.6m，湖泊距離磁懸浮最近48.5m。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意圖

圖2 護岸斷面圖

1.2 擬分析對象樁基及承臺情況

根據(jù)上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司2017年3月提供的《凌空路～迎賓大道立交改建工程磁懸浮保護方案、荷載對比計算書》的咨詢意見，磁浮P0779～P0782墩，橋墩為標準雙柱墩[2]；承臺頂標高3.5m，承臺厚2.0m，橫橋向承臺寬9.0m；樁基采用φ600 PHC管樁，樁長約34m，樁基有14根樁和18根樁兩種類型，如圖3、4所示。

圖3 P0779、P0781橋墩構造圖（14樁）

圖4 P0780、P0782橋墩構造圖（18樁）

1.3 工程地質條件

擬建場地各土層的物理力學性質參數(shù)[3]如表1所示。

1.4 磁懸浮保護要求

磁浮線軌道結構的附加變形控制要求如表2所示。

土層物理力學參數(shù) 表1

磁浮線變形控制要求 表2

2 河道開挖、河道形成對磁懸浮樁基的有限元分析

2.1 分析方法

本次分析采用有限元軟件Plaxis[4]進行二維數(shù)值計算分析。

2.2 計算模型

模型計算區(qū)域：豎向范圍取50m，水平范圍取130m。

基坑圍護分析過程中，針對不同分析對象采用不同的單元類型和本構關系，具體詳見表3，分析模型的底部采用全自由度約束，即水平、豎直向固定約束；側面采用法向約束，允許豎向變形。數(shù)值模擬過程中考慮基坑周邊10m范圍內(nèi)超載。

結構參數(shù)：基坑采用1∶3放坡開挖。

分析單元類型與本構模型表 表3

有限元計算模型及網(wǎng)格如圖5和圖6所示。

圖5 有限元計算模型

圖6 有限元網(wǎng)格劃分圖

2.3 施工工況模擬

①初始應力條件。基坑在開挖之前場地存在初始應力場，故首先按土體自重應力場來模擬場地存在的初始應力場。初始應力條件的確定是模型建立的另一個關鍵問題，初始應力場是基坑即將開挖時的應力場。初始應力場是彈塑性有限元計算的基礎，基坑開挖各個階段的計算都是在此基礎上進行。根據(jù)分析問題的不同，采用不同的手段進行初始應力場的確定。對于水平土層條件的初始應力場可以采用K0系數(shù)法。在上述應力場基礎上，初始化所有位移與應變?yōu)榱悖瑑H保存其變化的應力場作為基坑施工模擬的初始應力場。

②鄰近坑邊超載對初始應力狀態(tài)的影響。采用有限元軟件中“單元生死”的方法，在基坑開挖前激活荷載，考慮其對初始應力場的影響。

③基坑開挖過程的模擬，利用有限元軟件“單元生死”技術模擬，通過殺死土體單元，模擬土體開挖的全過程。

具體計算工況如下：

圖3(a)和圖3(b)分別展現(xiàn)了由于環(huán)境溫度改變導致的IC器件中芯片和接合層焊點中的熱應力,比較了未灌裝構型和灌裝構型的結果。選取3個代表性器件U1,U3,U8,取各自的絕對值最大應力進行比較。可以看出,芯片中的應力和焊點中的應力符號相反。溫度升高時,芯片承受拉應力,焊點承受壓應力,溫度降低時情況相反,這主要是由于接合層的熱膨脹系數(shù)大于IC器件導致的。對整體灌裝構型,由于灌裝聚合物的熱膨脹系數(shù)大于IC器件,在一定程度上加劇了IC器件中應力,同時略微減小了接合層中的應力。同時可看到,對于環(huán)境溫度改變情形,在所研究灌裝厚度下不同器件所受應力差別不大。

工況一，生成初始地應力場；

工況二，施加坑邊超載；

工況三，基坑預降水；

工況四，土方開挖至坑底；

工況五，基坑灌水，河道形成。

圖7 施工工況圖

2.4 基坑降水、土方開挖對磁懸浮樁基的影響分析

分析基坑降水及土方開挖對磁懸浮樁基的影響，對應工況為工況四。工況四時，基坑最大水平位移為18.47mm，水平位移云圖如圖8所示；坑底最大隆起量為15.98mm，出現(xiàn)在基坑開挖面中間，豎向位移云圖如圖9所示。

有限元模型中，磁懸浮樁基距離基坑由遠到近依次是Pile1、Pile2、Pile3和Pile4，磁懸浮樁基位移計算結果如表4所示。

圖8 水平位移云圖（工況四）

圖9 豎向位移云圖（工況四）

磁懸浮樁基位移計算結果 表4

由表4可知，基坑開挖及降水引起的磁懸浮樁基沉降，從遠到近依次為0.64mm、0.70mm、0.79mm和0.85mm，滿足支墩沉降量≤2mm以及前后支墩累計不均勻沉降量≤1mm的控制要求；同一承臺左右側支墩累計不均勻沉降量0.2mm，滿足≤0.5mm的要求；支墩水平位移為0.92mm，滿足前后支墩橫向（X向）累計差異偏移量≤1mm的要求。

圖10 水平位移云圖（工況五）

圖11 豎向位移云圖（工況五）

2.5 基坑灌水、河道形成對磁懸浮樁基的影響分析

分析基坑灌水、河道形成對磁懸浮樁基的影響，對應工況為工況五。工況五時，基坑最大水平位移為17.73mm，水平位移云圖如圖10所示；坑底最大隆起量為15.45mm，出現(xiàn)在基坑開挖面中間，豎向位移云圖如圖11所示。

有限元模型中，磁懸浮樁基距離基坑由遠到近依次是Pile1、Pile2、Pile3和Pile4，磁懸浮樁基位移計算結果如下表所示。

磁懸浮樁基位移計算結果 表5

由上表可知，基坑開挖及降水引起的磁懸浮樁基沉降，從遠到近依次為0.55mm、0.62mm、0.71mm和0.77mm，滿足支墩沉降量≤2mm以及前后支墩累計不均勻沉降量≤1mm的控制要求；同一承臺左右側支墩累計不均勻沉降量0.22mm，滿足≤0.5mm的要求；支墩水平位移為0.74mm，滿足前后支墩橫向（X向）累計差異偏移量≤1mm的要求。

3 結論與建議

3.1 結論

本評估采用數(shù)值計算[5]的方法，模擬計算凌空路～迎賓大道立交改建工程河道開挖及河道形成后對臨近磁浮線樁基的影響。通過計算分析，在保證施工要求的前提下，河道開挖施工能夠滿足磁浮線的保護要求。

3.2 建議

①若要進一步評估河道開挖對臨近磁懸浮區(qū)域土性的影響，可采用勘察手段靜力觸探方法，通過分析土性指標，分析河道開挖對臨近磁懸浮區(qū)域土性的影響。

②河道湖泊開挖施工應盡量縮短施工周期、明確目標節(jié)點，同時應分段開挖，減少對磁懸浮的影響。

③基坑開挖過程中必須加強對基坑周邊地下水位及磁懸浮基礎的監(jiān)測，確保磁浮線的安全運營。坑外水位報警值下降速率300mm/d或累計下降1000mm；磁懸浮基礎報警值具體由相關部門和監(jiān)測單位確定。

④河道開挖及河道完成后，磁懸浮墩柱加強監(jiān)測，監(jiān)測周期不小于2年。