磁浮線隧道下穿機場工程有限元分析★

馬小龍，邱 冰，周博聞，李金光，李飛宇

(1.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司,湖南 長沙 410200; 2.湖南省軌道勘察設計有限公司,湖南 長沙 410021)

近年來,城市交通建設迅速發展,機場作為重要的交通紐帶,與其他交通方式聯動的重要性不言而喻[1]。城市中出現越來越多的地鐵、公路隧道下穿機場的工程,如:北京首都機場旅客捷運系統工程[2]、臺北市復興北路穿越松山機場地下道工程[3]、上海市軌道交通10號線下穿越虹橋機場飛行區工程[4]。

然而新建隧道下穿既有工程需要克服更多復雜的挑戰,且機場跑道對變形的要求更為嚴格[5-7]。魏曉剛等[8]使用有限元方法分析了飛機荷載作用下隧道應力與位移的變化;王錦華[9]建立盾構下穿機場跑道施工的隨機有限元模型,并分析施工參數和巖土體參數對跑道的影響;張恒新等[10]使用ABAQUS軟件分析雙線隧道下穿引起的機場跑道沉降規律。

國內隧道下穿機場的案例與分析大多以盾構法開挖,且對于磁浮列車下穿機場的工程及相關分析相對較少。本文以長沙磁浮東沿線接入T3航站樓工程為依托,基于有限元分析方法,探索中低速磁浮線盾構下穿以及列車運行過程中對機場的影響。

1 工程概況

工程線路長約3.64 km,從T2航站樓站引出后,采用半徑為350 m的曲線折向西南,依次斜穿第一跑道、第二跑道及滑行道,穿越長度為1 064 m,與氣象觀測區最近處100 m,之后采用半徑為550 m的曲線接入T3航站樓GTC設T3站。

擬建區范圍內地層自上而下依次為人工填土、淤泥質粉質黏土、沖洪積粉質黏土、沖洪積粉土、沖洪積粉質黏土、殘積粉質黏土、白堊系上統戴家坪組泥質粉砂巖。

2 盾構下穿對機場沉降的影響

2.1 計算模型

采用FLAC3D及MIDAS GTS有限元軟件模擬盾構下穿施工過程,分別建立三維和二維模型進行計算,相互驗證模型準確性,計算模型如圖1,圖2所示。巖土體和加固區的力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數表

2.2 盾構下穿對跑道結構沉降的影響

圖3為FLAC3D及MIDAS GTS盾構下穿對飛行區跑道沉降位移云圖,圖4為FLAC3D及MIDAS GTS盾構下穿機場飛行區跑道最大主應力云圖。

盾構下穿機場飛行區跑道時,FLAC3D跑道道面沉降結果為2.35 mm,MIDAS GTS計算結果為2.21 mm,模型計算正確,其沉降值可作為參考依據;可知,跑道道面最大沉降為2.35 mm,差異沉降值為0.004 3%,最大沉降值發生在雙洞中部位置,小于沉降控制指標10 mm,小于差異沉降安全控制值0.1%;跑道區最大主應力為-8.5 kPa,遠小于道面極限抗拉強度,不會對跑道及滑行道面結構產生破壞影響。

2.3 盾構下穿對導航區沉降的影響

根據MH/T 4003.1—2021民用航空通信導航監視臺(站)設置場地規范 第一部分:導航[11]關于場地的要求,航向臺近跑道端和天線之間的坡度、下滑信標臺A區(臨界區)的橫向坡度均應在±1%范圍內;B區(敏感區)地面應盡可能平坦,地形凹凸高度的允許值,與下滑信標天線到地形凹凸處的距離、下滑信標天線的高度之間的關系式為:Z<0.011 7D/N,代入相關參數可知,其凹凸高度允許值為21 cm;C區(敏感區)內的地形坡度不超過15%。將壓實回填層物理力學參數輸入到模型計算,其豎向位移云圖見圖5。沉降值增加0.17 mm,達到2.52 mm,沉降槽區域坡度為0.005 0%,均小于航向臺±1%要求及下滑臺場地控制指標最敏感A區±4 cm,縱橫向坡度應在±1%的要求;地表橫向影響范圍為線路中心線60 m寬度范圍內,影響范圍小,沉降不侵入下滑信標臺最敏感區A區,對導航區設施影響小。

3 列車動載影響分析

3.1 計算模型

采用FLAC3D軟件分析隧道列車振動荷載對飛行區的影響,取實際情況下最不利位置斷面進行分析,將模型簡化如圖6所示。其中圍巖采用摩爾-庫侖模型,襯砌采用彈性模型。計算范圍為水平方向長度60 m,垂直方向從地表向下取50 m。邊界條件則為:前后左右邊界水平阻尼邊界約束,下邊界垂直方向阻尼邊界約束,地表為自由面。

3.2 列車激勵荷載模擬

本分析選取激勵荷載最不利考慮,進行輪軌列車振動分析模擬,采用二系懸掛減振裝置的列車簡化計算模型。相關參數見表2。

表2 列車參數

采用Matlab的Simulink對該模型進行仿真模擬,仿真時間為10 s,得到列車荷載的仿真波形如圖7所示。

對列車荷載進行快速傅里葉分析,可確定其中占主導地位的頻率成分有5處(見表3)。其中:0 Hz處為車體的靜止質量;0.111 Hz處為車體本身振動對列車荷載產生的影響,其幅值達到1.63 kN;1.667 Hz,16.667 Hz和33.222 Hz處為列車簧下質量在軌道諧波不平順作用下的動力響應。由此得出列車荷載的模擬表達式為:

P(t)=157.36+1.63sin(0.697t+1.183)+2.28sin(10.474t+1.855)+2.83sin(104.722t+3.506)+2.28sin(208.740t+3.735)。

表3 列車荷載頻率成分

如圖8所示,列車荷載模擬表達式的幅值在149 kN～166 kN的范圍內波動,且誤差能夠控制在±1%以內,能夠較準確地反映列車荷載的變化規律。本文采用此列車荷載來分析列車動荷載對擬建盾構隧道下穿段飛行區的影響,為了保證足夠的精度,取4 s時間內的列車振動荷載進行計算。為了保證時間積分的無條件穩定,Newmark參數采用a=0.5,b=0.25。對于瑞利阻尼參數,采用α=0.017,β=0.001 4。

3.3 結果分析

3.3.1 地層研究控制點

為考察上洞列車通過時列車振動荷載對地層、地表以及道面的影響,將控制點布置如圖9所示,其中E1,E2,E3,E4,E5為動荷載上方土層約2 m,3 m,5 m,7 m,9 m的地方。

3.3.2 列車振動對地層影響

1)加速度分析。列車動荷載作用下地層各控制點加速度(m/s2)隨時間(s)變化圖如圖10所示,動荷載穩定后各控制點最大豎向加速度如表4所示。

表4 各地層控制點最大加速度值

隨著離開振源距離的增大,即圍巖遠離列車運行區間,加速度迅速衰減,仰拱中心下方圍巖深度從2 m到9 m處,相應加速度峰值由3.5 mm/s2減小至0.5 mm/s2,后者僅是前者的14.3%。

2)位移分析。列車動荷載下各地層控制點豎向位移(m)隨時間(s)變化圖如圖11所示。

動荷載施加后,各地層控制點豎向位移隨著加載時間的變化豎向位移逐漸增大,之后逐漸趨于穩定。隨著離開振源距離的增大,豎向位移的值逐漸減小,但其變化的幅度極小。

3)小結。統計列車荷載作用1 s時地層不同位置加速度、位移的變化如表5所示。

表5 列車荷載下加速度、位移變化情況

當最大豎向加速度小于1 mm/s2后,其最大豎向位移值的變化幅度較小,現取最大豎向加速度為1 mm/s2為其影響范圍的控制加速度,即列車荷載對圍巖的影響范圍為7 m。本線盾構區間埋深在20 m～25 m范圍內,大于列車動載影響地層范圍7 m,因此,列車運行對飛行區地表及道面結構影響很小,不影響飛行區運行安全。

4 結論

本文以長沙磁浮東沿線接入T3航站樓工程為依托,基于FLAC3D和MIDAS GTS有限元分析軟件,重點研究了磁浮隧道盾構下穿機場以及磁浮列車運行過程中對機場的影響,主要結論如下:

1)盾構下穿機場時,飛行區跑道道面最大沉降量為2.35 mm,道面差異沉降為0.004 3%,小于飛行區道面沉降控制標準10 mm,差異沉降0.1%,滿足要求。

2)導航區地表沉降2.52 mm,沉降槽區域坡度為0.005 0%,滿足下滑臺信標區敏感區B區、C區沉降控制標準,且小于下滑信標臺臨界區A區±4 cm高差范圍要求,坡度不大于±1%要求;滿足航向信標臺臨界區坡度不大于±1%要求。

3)列車動載影響范圍為7 m,對飛行區道面結構和導航區設備影響較小,風險可控。