立交匝道對地鐵區(qū)間結構影響的數值模擬研究

于 明

(中鐵四局集團第三建設有限公司，天津 300163)

0 引言

國民經濟的發(fā)展帶來了越來越多的交通問題，尤其是城市內部交通[1-3]。地鐵系統(tǒng)、立交系統(tǒng)是解決城市內部交通問題的重要基礎設施[4-5]。伴隨著城市的發(fā)展，這兩大基礎交通設施也在各大城市逐漸增多；然而，地鐵系統(tǒng)與立交系統(tǒng)本身結構就十分復雜，加之二者在有限的城市空間中難免相互影響，解決這兩種重要交通系統(tǒng)基礎設施建設的相互不利影響，對未來城市進一步發(fā)展有著十分重大的意義[6-11]。本文以北京市豐臺火車站東側立交專用匝道項目為例，以數值模擬方法分析解決其與地鐵10號線之間的相互影響，以保障立交系統(tǒng)與地鐵系統(tǒng)的安全、順利運行。

1 項目概況

豐臺火車站站房東側立交專用匝道工程位于豐臺區(qū)在建豐臺火車站站房東側，地鐵10號線泥洼站及豐臺站之間。豐臺火車站市政配套工程站房東側立交專用匝道工程包含鐵路界外DB線和DB1線，以及DG1,DG2,DG3連接通道；鐵路界內DC線匝道橋。主要工程量包括橋梁總長約31 265 m，總面積約20 228.3 m2。通道總長約431.11 m，面積約4 578 m2。立交匝道與地鐵平面位置關系見圖1。

涉及地鐵10號線50 m保護范圍內新建結構物包括DC線匝道橋第二聯(lián)(DC05～084跨，其中DC-06，DC-07軸樁基距離地鐵10號線的距離分別為5.05 m及5.02 m，匝道橋梁臨近地鐵10號線安全風險等級為二級)以及進出站房地下車場的DG1及DG3地下通道(離地鐵最小凈距為10.81 m，基坑開挖深度6.2 m～11.2 m，安全風險等級為二級)。受新建結構物施工影響的地鐵10號線區(qū)間范圍為：地鐵10號線豐臺站—泥洼站區(qū)(K42+129.29～K42+273.55，全長144.3 m)。

地鐵區(qū)間由豐臺站向北斜穿國鐵車場，區(qū)間工法為盾構工法，區(qū)間長度為806 m，線間距由23 m漸變?yōu)?0.5 m，原地面標高約為46.000 m(北京高程系)，在國鐵范圍內地鐵區(qū)間為0.3%的單向坡，軌頂標高27.975 m～27.833 m，盾構上皮至地面距離為13.215 m～13.357 m左右。盾構區(qū)間結構采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌環(huán)外徑6.0 m，內徑5.4 m，管片寬度1 200 mm。豐臺至前泥洼區(qū)間使用加強鋼筋混凝土管片。

2 數值模擬分析

2.1 模擬范圍與對象

根據上述項目詳情，評估范圍為受地下通道(DG1通道、DG3通道)及DC線匝道橋(DC-05～DC-08橋樁)工點影響的豐臺站—泥洼站區(qū)間，平面尺寸約130 m×210 m(東西×南北)，對應區(qū)間里程K42+100～K42+310。評估對象為該保護區(qū)范圍內的豐臺站—泥洼站區(qū)間結構及軌道結構，見圖2。

2.2 模擬內容與方法

數值模擬主要計算內容為豐臺火車站站房東側DC線匝道橋群樁基礎施工、加載及地下通道基坑開挖對鄰近豐臺站—泥洼站區(qū)間結構以及軌道結構變形的影響。使用巖土專業(yè)有限元分析軟件PLAXIS 3D，基于三維連續(xù)介質有限元方法，根據評估范圍和評估對象，建立地下通道(DG1通道、DG3通道)支護結構和主體結構、DC線匝道橋(DC-04～DC-08橋樁)及豐臺站—泥洼站區(qū)間結構及軌道結構的三維有限元模型，基于上述模型，預測分析樁基施工及樁基加載和基坑開挖引起的豐臺站—泥洼站區(qū)間結構及軌道結構變形情況。具體模擬步驟見圖3。

2.3 模型與參數選取

綜合考慮評估范圍、評估對象相對位置關系、施工影響范圍及計算邊界，建立地下通道(DG1通道、DG3通道)支護結構和主體結構、DC線匝道橋(DC-04～DC-08橋樁)及豐臺站—泥洼站區(qū)間結構及軌道結構的三維有限元模型。整體模型及結構模型分別如圖4,圖5所示。DC線匝道橋及DG1,DG3地下通道分析模型范圍取210 m×150 m×50 m(東西×南北×地層深度)，單元數45 000個，節(jié)點數67 220個。在模型的底面處施加固定約束，在模型的側面處施加水平約束。

依據《巖土工程勘察報告》，將工程場地內地層進行概化劃分為5層。各層土體參數取值按照勘察報告中的土工試驗、現(xiàn)場測試的指標以及地區(qū)經驗確定。計算中土層采用摩爾-庫侖(M-C)模型，混凝土材料采用線彈性模型。圍護樁、U型槽、閉合框架、路面結構采用板單元模擬。橋墩和鋼支撐采用梁單元模擬；灌注樁采用樁單元模擬；邊界上，在模型各個面固定法向自由度的約束。同時，考慮結構物、巖土體的重力作為外荷載。

完成模型的建立、參數的選取與完善邊界條件后，將現(xiàn)場施工步驟以七種工況按順序模擬，以期達到地應力按時間逐步釋放的目的。具體的施工步驟見表1。

表1 模擬施工步驟

2.4 計算結果

在上述條件下開始計算，得到最終成果。考慮到豎向位移變形與水平位移變形所產生的破壞模式是不同的，將這兩種計算結果分開表述。與此同時，為了能明確各個施工階段最可能產生的危險與危險產生的位置，對立交系統(tǒng)開始施工后的每個步驟都得到計算結果。

在地下通道開挖至坑底完成這一施工階段，區(qū)間結構變形左線大于右線，左線最大隆起1.14 mm，左線最大水平變形0.34 mm(向開挖側)，均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。結果云圖如圖6所示。

在地下通道主體結構及回填施工完成這一施工階段，區(qū)間結構變形左線大于右線，左線最大隆起0.52 mm，左線最大水平變形0.24 mm(向開挖側)，均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。結果云圖見圖7。

在DC04～DC08橋群樁基礎施工完成這一階段，區(qū)間結構變形左線大于右線，左線最大隆起0.52 mm，左線最大水平變形0.23 mm(向開挖側)，均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。結果云圖見圖8。

在DC04～DC08橋梁加載完成這一階段，區(qū)間結構變形左線大于右線，左線最大隆起0.51 mm，最大水平變形0.23 mm(向開挖側)，均位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。引起的區(qū)間結構右線最大沉降0.48 mm，位于區(qū)間右線距離DC07水平距離最近處。結果云圖見圖9。

將各個施工階段中不同方向的位移計算結果建立交叉表格，見表2。

表2 各施工階段位移計算結果

通過上述分析，擬建工程DC線匝道橋樁基施工及橋梁加載和地下通道基坑開挖對區(qū)間結構均有影響，可以得出以下結論：受DC線匝道橋樁基施工及橋梁加載和DG1,DG3地下通道施工影響，豐臺站—泥洼站區(qū)間結構累計變形左線大于右線，各工序影響的區(qū)間左線結構最大隆起值1.14 mm，最大水平向(向開挖一側)變形為0.34 mm，位于區(qū)間左線距離DG3通道水平距離最近處。引起右線結構最大沉降值0.48 mm，位于區(qū)間右線距離DC07水平距離最近處。

2.5 后期量測數據對比

施工后，對主要受影響區(qū)域進行監(jiān)控量測，其左、右線豎向位移最終量測結果如圖10所示。

由圖10可以看出，最終位移結果與模擬計算結果較為一致，充分說明了模擬計算的準確性。本模擬計算對施工、量測工作起到了有效的參考價值。

3 結語

近地鐵建筑物項目施工本身就具有一定復雜性，而設計立交系統(tǒng)結構的施工方案更是難上加難。本文通過對施工整體過程進行模擬計算，輔以合理的監(jiān)控量測體系，保障了立交系統(tǒng)結構施工時地鐵系統(tǒng)的安全，對日后類似的復雜工程的順利進行有著一定的借鑒意義。