市政道路下穿對(duì)機(jī)場(chǎng)快軌U形槽變形的影響分析

睢忠強(qiáng),汪小慶,王 凱,楊松林,劉建友

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司城市軌道交通設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

新建地下工程施工不可避免地對(duì)既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，影響既有線的運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重時(shí)可能造成既有線結(jié)構(gòu)的破壞和部分使用功能的喪失，危及行車安全[1]。北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司在環(huán)境安全分級(jí)中，將下穿既有軌道線路(含鐵路)的新建線路定為特級(jí)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。北京新機(jī)場(chǎng)線位于北京南部三環(huán)以外區(qū)域，是一條服務(wù)于北京新機(jī)場(chǎng)的專線，線路全長(zhǎng)41 km[3]，其中地下段長(zhǎng)約23.7 km，高架段長(zhǎng)約17.7 km[4]，遠(yuǎn)大于常規(guī)地鐵[5]，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，包含U形槽113 m、路基1 390 m，且路基和U形槽結(jié)構(gòu)共構(gòu)，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為160 km/h[6]，交叉施工多、難度大[7]，這就對(duì)線路的安全運(yùn)營(yíng)及次干一路穿越工程的控制指標(biāo)提出了嚴(yán)格的要求。

眾多學(xué)者[8-12]研究了穿越工程對(duì)既有線的影響，周順華[13]將地下穿越施工變形分為絕對(duì)量控制和相對(duì)量控制，并給出了具體的控制方法，同時(shí)指出，變形控制的難易程度取決于地層的工程和力學(xué)性質(zhì)。韓煊[14]基于剛度修正法的基本思路和對(duì)實(shí)測(cè)既有線隧道變形特征的分析，從國(guó)內(nèi)外典型的地鐵下穿既有線的案例分析著手，著重考慮既有隧道埋深、結(jié)構(gòu)剛度對(duì)其變形特征的影響，提出適用于預(yù)測(cè)既有線在新建隧道下穿影響下產(chǎn)生沉降的簡(jiǎn)便分析方法。王占生[15]結(jié)合北京地鐵5號(hào)線崇文門站下穿既有地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道工程，通過有限元分析方法等進(jìn)行新建隧道施工對(duì)既有地鐵影響的預(yù)測(cè)分析，將主要控制標(biāo)準(zhǔn)按施工步序進(jìn)行分解，實(shí)施控制標(biāo)準(zhǔn)的分階段控制，確保既有地鐵的正常安全運(yùn)營(yíng)。張弢[16]對(duì)南水北調(diào)東干渠輸水隧洞穿越北京軌道交通機(jī)場(chǎng)線方案進(jìn)行評(píng)估分析研究，計(jì)算選用ANSYS軟件，從U形槽結(jié)構(gòu)變形、既有地鐵軌道結(jié)構(gòu)變形等方面，對(duì)3種穿越方案進(jìn)行對(duì)比，采用變形數(shù)值最小的注漿加固措施穿越方案作為最終方案。張文正[17]運(yùn)用ANSYS軟件模擬大盾構(gòu)隧道在不同位置穿越機(jī)場(chǎng)線的施工過程，分析既有高架橋結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果，提出盾構(gòu)隧道與橋樁之間的凈距是盾構(gòu)施工過程中既有結(jié)構(gòu)變形的主要因素。

目前大多數(shù)的研究主要集中在穿越工程對(duì)既有地鐵隧道區(qū)間影響[18-22]，對(duì)機(jī)場(chǎng)快軌U形槽的影響分析研究比較少，以北京次干一路下穿新機(jī)場(chǎng)快軌工程為例，對(duì)市政道路下穿機(jī)場(chǎng)快軌U形槽沉降控制進(jìn)行研究，分析市政道路下穿機(jī)場(chǎng)快軌的變形影響規(guī)律及安全性，以確保市政道路施工及機(jī)場(chǎng)快軌U形槽運(yùn)行安全，可為類似的工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

新機(jī)場(chǎng)快軌主線為路基形式，進(jìn)出場(chǎng)線為U形槽形式，次干一路下穿段位于新機(jī)場(chǎng)快軌路基和2個(gè)U形槽下方，與新機(jī)場(chǎng)快軌軸線平面交角約86°，如圖1所示。U形槽在下穿段處自南向北下坡，坡度為3%。次干一路下穿段框架結(jié)構(gòu)頂距進(jìn)出場(chǎng)線U形槽結(jié)構(gòu)底板最近處約0.9 m。次干一路下穿段在下穿位置東側(cè)開挖基坑，基坑支護(hù)采用排樁+錨索的形式。基坑開挖完成后開始下穿施工，如圖2所示。

圖1 次干一路下穿段與新機(jī)場(chǎng)快軌平面關(guān)系

圖2 次干一路下穿段與機(jī)場(chǎng)快軌剖面關(guān)系

1.2 地質(zhì)概況

地質(zhì)勘察報(bào)告揭示，穿越機(jī)場(chǎng)線段地層從上到下依次為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、細(xì)中砂，隧道洞身位置為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等細(xì)顆粒地層，模型中涉及的地層如表1所示。

表1 模型中涉及的地層

1.3 機(jī)場(chǎng)快軌U形槽變形控制值

為保證施工期間機(jī)場(chǎng)快軌既有線的日后正常運(yùn)營(yíng)，既有線U形槽結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)結(jié)構(gòu)沉降<4 mm，結(jié)構(gòu)上浮<4 mm，結(jié)構(gòu)水平位移<4 mm；

(2)變化速率<1 mm/d。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型參數(shù)

采用Midas GTS NX有限元數(shù)值分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算，參照實(shí)際施工時(shí)的相關(guān)參數(shù)，建立高70 m，寬度為115 m，縱向長(zhǎng)度85 m的計(jì)算模型，隧道埋深10.6 m。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值分析模型

模型采用實(shí)體單元模擬地層土體，地層土體采用修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[23]。U形槽結(jié)構(gòu)、路基板、隧道襯砌和管棚均采用板單元模擬，樁采用梁?jiǎn)卧M，U形槽、路基板、隧道及樁考慮在彈性范圍內(nèi)工作，采用線彈性本構(gòu)[24]。在模型底部施加豎向固定位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束[25]，地表為自由面。各土層、結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2、表3。

表2 土層材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

各工況模擬情況的說明如表4所示。

3 結(jié)果分析

3.1 初始狀態(tài)模擬

施工過程中土體開挖后地應(yīng)力釋放會(huì)造成土體卸載作用。計(jì)算基坑、隧道開挖施工對(duì)既有新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基的變形，首先需要地應(yīng)力平衡計(jì)算，獲得初始地應(yīng)力，之后施做路槽結(jié)構(gòu)、開挖路槽，計(jì)算完畢后，為得到施工過程對(duì)新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽產(chǎn)生的附加影響，保留計(jì)算所得的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)將位移清零，以此為后續(xù)次干一路施工階段的初始狀態(tài)，如圖4所示。

表4 計(jì)算工況

圖4 模型初始豎向地應(yīng)力(單位：10-3MPa)

3.2 地層位移分析(圖5)

圖5 施工結(jié)束后土層位移云圖

從圖5可以看出，施工結(jié)束后，土層位移最大的位置均為基坑和隧道開挖區(qū)域：水平方向上，在基坑和隧道銜接部分有向基坑方向位移的趨勢(shì)，兩側(cè)均發(fā)生沿開挖方向的位移，U形槽及路基部分的位移較之略小；豎直方向上，基坑底部發(fā)生了較大的隆起，最大達(dá)到18.739 mm，四周則發(fā)生一定的沉降，呈現(xiàn)出明顯的沉降槽規(guī)律，而隧道開挖部分整體表現(xiàn)為沉降，達(dá)到了15.031 mm。

3.3 結(jié)構(gòu)位移分析(圖6)

圖6 施工結(jié)束后樁的位移云圖

從圖6得到施工結(jié)束后，在水平方向上，各種樁均發(fā)生了不同程度傾向基坑開挖方向的位移，隨距基坑的遠(yuǎn)近而受到的影響不同：距基坑越近位移越大，距離越遠(yuǎn)位移越小；在豎直方向上，臨近基坑開挖一側(cè)的圍護(hù)樁和其他樁表現(xiàn)為隆起，最大為3.710 mm，在臨近隧道開挖一側(cè)的樁表現(xiàn)為沉降，最大達(dá)到2.582 mm。

施工結(jié)束后，新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽的位移云圖如圖7所示。從圖7可以看出，U形槽上邊緣局部的水平位移隨距離基坑的遠(yuǎn)近表現(xiàn)出相反的規(guī)律：臨近基坑一側(cè)的U形槽發(fā)生傾向基坑的位移，遠(yuǎn)離基坑一側(cè)的U形槽發(fā)生傾向隧道開挖方向的位移，整體上發(fā)生傾向基坑方向的位移；豎向位移表現(xiàn)出相同的規(guī)律：整體上均發(fā)生了豎向沉降，其中臨近隧道開挖方向一側(cè)的U形槽沉降2.978 mm，明顯大于臨近基坑一側(cè)的U形槽沉降1.322 mm，說明基坑開挖卸載的作用明顯。根據(jù)GB50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，變形在安全范圍內(nèi)。

圖7 施工結(jié)束后U形槽位移云圖

圖8是新機(jī)場(chǎng)快軌左右U形槽及路基板水平位移隨施工階段的變化曲線。圖8中橫坐標(biāo)為施工工況，縱坐標(biāo)為左右U形槽和路基板在次干一路隧道下穿正上方的水平位移。從圖8可以看出，水平方向上，左右U形槽和路基板都整體發(fā)生了向基坑開挖方向的位移，其中左側(cè)U形槽和路基板的變化幅度相一致，而右側(cè)U形槽自基坑開挖結(jié)束后隨隧道開挖，出現(xiàn)較大的水平位移。

圖8 U形槽和路基板水平位移

圖9是新機(jī)場(chǎng)快軌左右U形槽及路基板豎向位移隨施工階段的變化曲線。圖9中橫坐標(biāo)為施工工況，縱坐標(biāo)為左右U形槽和路基板在次干一路隧道下穿正上方的豎向位移。從圖9可以看出，豎直方向上，左右U形槽和路基板的變化規(guī)律相同，其中左側(cè)U形槽和路基板整個(gè)階段都發(fā)生了沉降，而右側(cè)U形槽則發(fā)生了一定程度的隆起，最終表現(xiàn)為沉降。

圖9 U形槽和路基板豎向位移

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基結(jié)構(gòu)在基坑開挖及隧道穿越前和穿越后的內(nèi)力分布規(guī)律相同，內(nèi)力變化幅度較小。新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽結(jié)構(gòu)和路基結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力分別出現(xiàn)在工況9、工況11，具體驗(yàn)算數(shù)值見表5、表6。

表5 下穿段穿越前和穿越后結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

表6 下穿段穿越前和穿越后結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算

由表5、表6可見，新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基結(jié)構(gòu)在下穿段開挖前后的承載力和裂縫寬度值均滿足控制要求。

4 結(jié)論

結(jié)合北京次干一路下穿新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽建設(shè)，通過對(duì)市政道路穿越機(jī)場(chǎng)快軌施工擾動(dòng)下的U形槽沉降數(shù)值計(jì)算，得到以下結(jié)論。

(1)在基坑及隧道開挖過程中，由于基坑的卸載作用對(duì)隧道沉降槽的影響，土層的位移產(chǎn)生了類似板的翹曲效應(yīng)，而U形槽及路基剛好位于中心位置，受到的影響較小。

(2)下穿段開挖過程引起新機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基發(fā)生沉降變形，新機(jī)場(chǎng)快軌x方向(垂直新機(jī)場(chǎng)快軌軸線方向)變形最大值為0.756 mm，z方向(豎直方向)最大變形體現(xiàn)為豎向沉降，沉降值為2.978 mm。

(3)采用管棚支護(hù)施工方案，基坑、隧道施工及結(jié)構(gòu)施做引起的荷載作用對(duì)機(jī)場(chǎng)快軌U形槽和路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響，但影響較小，U形槽和路基在下穿段開挖前后的承載力和裂縫寬度值均滿足控制要求。