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既有地鐵上方道路設(shè)計(jì)方案比選研究

2025-04-09 00:00:00潘春輝
工程機(jī)械與維修 2025年2期

摘要:以某新建高速公路工程為實(shí)例,針對(duì)隧道側(cè)方和上方道路施工的工況,建立了包含機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線及地面道路施工的整體三維數(shù)值模型,并對(duì)原設(shè)計(jì)方案、輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明,EPS材料換填方案對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響最小,施工完成后的隧道沉降只有0.34mm,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求。同時(shí)經(jīng)長(zhǎng)期效果分析,EPS材料換填方案對(duì)隧道的變形影響也最小,只有0.2mm。由此說明,EPS材料換填方案具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:既有地鐵;數(shù)值模擬;輕質(zhì)泡沫混凝土;EPS材料;隧道變形;長(zhǎng)期沉降

0" "引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,尤其是在已經(jīng)建成的城市中,如何在確保地鐵運(yùn)行安全的前提下,優(yōu)化和拓展城市道路路網(wǎng),已成為當(dāng)前城市規(guī)劃與建設(shè)亟待解決的重大課題[1]。在既有地鐵上開展路面設(shè)計(jì)與建設(shè),不僅要兼顧其功能與經(jīng)濟(jì)要求,還要充分考慮施工過程對(duì)地鐵安全性與運(yùn)行穩(wěn)定性的影響[2]。由于軌道交通多處于城區(qū)中心地帶,周圍環(huán)境復(fù)雜、地下管線密集,且地鐵是重要的交通干線,因此對(duì)其施工安全提出了更高的要求。

本研究以既有軌道交通為研究對(duì)象,根據(jù)隧道側(cè)方和上方道路施工的工況,建立了包括機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線以及地面道路施工的整體模型,并對(duì)原設(shè)計(jì)、輕質(zhì)泡沫混凝土和EPS材料回填3種施工方案的可行性進(jìn)行了評(píng)估。通過本研究,可為我國(guó)公路建設(shè)工程中的“路-地”并存問題提供科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方案,同時(shí)為同類工程中“路-地”并存問題的解決提供技術(shù)借鑒,推動(dòng)我國(guó)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)發(fā)展[3]。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

某高速公路主線改建工程,道路等級(jí)參照城市快速路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度為60km/h,長(zhǎng)約4.9km,雙向8車道。本工程與市域鐵路線中地鐵保護(hù)區(qū)范圍存在交叉[4],項(xiàng)目平面圖如圖1所示。根據(jù)《鐵路安全管理?xiàng)l例》《地方鐵路線路安全保護(hù)區(qū)管理規(guī)定》《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》以及管理部門意見等,對(duì)鐵路保護(hù)范圍內(nèi)的工程方案進(jìn)行比選。

1.2" "地質(zhì)狀況

通過對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)勘察可知,擬建場(chǎng)地的地質(zhì)穩(wěn)定性較好,整體地形比較平緩,巖層分布比較穩(wěn)定。雖然局部存有軟弱土、流砂等不良地質(zhì)情況,但采取相針對(duì)性的防治措施,也可以有效解決這些問題。總體來看,該場(chǎng)地具備良好的工程地址條件,適合本項(xiàng)目的建設(shè)要求。

1.2.1" "土層分布

①1層雜填土:包括建筑廢棄物和植物根系等,其結(jié)構(gòu)性較差,不能直接用作地基承載體,可以采用置換法進(jìn)行填筑。場(chǎng)地內(nèi)普遍分布。

①2層浜底淤泥:土質(zhì)較差,軟塑,高壓縮性,施工過程中需要開挖和治理。分布于明溝內(nèi)。

①3層素填土:主要成分是黏土,軟塑,高壓縮性,部分地區(qū)含有植物根系等,結(jié)構(gòu)性較差,可以采用分層夯實(shí)法。場(chǎng)地內(nèi)普遍分布。

①4層浜填土:含建筑垃圾、植物根莖、有機(jī)物、少量的生活垃圾和腐爛的植物。松散,含淤泥,高壓縮性。分布在暗溝里。

②1層粉質(zhì)黏土:軟塑可塑,中等壓縮性,一般為“硬殼層”,是一種良好的基礎(chǔ)承載體,但部分土層比較薄。

②3層砂質(zhì)粉土:疏松至中密度,中等壓縮性,可用作公路路基。

③1層及③4粉質(zhì)黏土:高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度,易發(fā)生軟弱層,對(duì)路基的穩(wěn)定性及沉降產(chǎn)生不利影響,需要進(jìn)行合理的基礎(chǔ)處理。

③T層砂性粉質(zhì)黏土:疏松至略致密,中等壓縮性,土質(zhì)較好,為液化土層,液化等級(jí)輕微,可作為路基持力層或道路路基下臥層。

④層淤泥質(zhì)黏土:灰色,含云母、有機(jī)質(zhì)、貝殼碎屑,夾少量薄層粉砂,局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土。呈流塑狀態(tài),高等壓縮性。場(chǎng)地內(nèi)遍布。

⑤1層黏土:灰色,含云母、有機(jī)質(zhì)、貝殼碎屑,夾少量薄層粉性土,局部為粉質(zhì)黏土。呈軟塑狀,高等壓縮性。場(chǎng)地內(nèi)遍布。

⑦1層草黃色~灰黃色砂質(zhì)粉土:草黃-灰黃色,含云母、氧化鐵條紋,局部夾砂質(zhì)粉土,土質(zhì)不均。呈稍密狀,中等壓縮性。該層在正常地層分布區(qū)局部分布。

1.2.2" "土層參數(shù)

根據(jù)土層分布的詳細(xì)分析,得到土層參數(shù)如表1所示。

2" "三維數(shù)值分析

2.1" "數(shù)值模型建立

結(jié)合換填的開挖深度和隧道埋深,選取計(jì)算模型尺寸為:長(zhǎng)150m,寬300m,高66m。有限元總體模型如圖2所示。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為38316個(gè),六面體實(shí)體單元數(shù)為34028個(gè),滲透面單元數(shù)為4306個(gè)。模型的邊界條件如下:頂部自由;四周及底部限制法向位移,底邊限制三個(gè)方向的位移;四周為透水邊界,底部為不透水邊界[5]。

2.2" "分析工況設(shè)置

計(jì)算初始位移和地應(yīng)力,然后清零位移。輕質(zhì)泡沫混凝土方案土體開挖2.8m,EPS方案土體開挖1.9m。輕質(zhì)泡沫混凝土方案填筑總計(jì)4m,EPS方案填筑總計(jì)3.06m,水泥土填筑0.8m。進(jìn)行超載測(cè)試,施加10kPa超載,持續(xù)20d。

3" "計(jì)算結(jié)果分析

基于上述施工方案,分析各方案對(duì)周邊土體和隧道結(jié)構(gòu)的影響,重點(diǎn)關(guān)注沉降、隆起和整體變形等指標(biāo)。通過對(duì)比分析不同方案的實(shí)施效果,選擇最優(yōu)施工方法,減少施工對(duì)既有地鐵線路的影響。

3.1" "原設(shè)計(jì)方案

利用數(shù)值模型對(duì)原設(shè)計(jì)道路施工方案進(jìn)行模擬仿真,得到原設(shè)計(jì)方案的施工路面變形示意如圖3所示。

從圖3可以看出,原設(shè)計(jì)道路施工方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為111.9mm,變形主要表現(xiàn)為沉降。同時(shí),所引起的隧道整體變形隨著分層回填不斷增大,最大變形量為7.21mm。

3.2" "輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案

利用數(shù)值模型對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案進(jìn)行模擬仿真,得到輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案的施工路面變形示意如圖4所示。

從圖4可以看出,輕質(zhì)泡沫混凝土方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為29.63mm。在卸土?xí)r,隨著回填其變形逐漸減小。同時(shí),所引起的隧道整體變形最大變形量為6.21mm,施工結(jié)束后其變形量為2.15mm。

3.3" "EPS材料換填方案

利用數(shù)值模型對(duì)EPS材料換填方案進(jìn)行模擬仿真,得到EPS材料換填方案的施工路面變形示意如圖5所示。

從圖5可以看出,EPS材料換填方案所引起的周邊土體整體的最大變形量為13.6mm。在卸土?xí)r,隨著回填其變形逐漸減小。同時(shí),所引起的隧道整體的最大變形量為3.84mm,施工結(jié)束后其變形量為0.34mm。

3.4" "長(zhǎng)期效應(yīng)沉降分析

3.4.1" "原設(shè)計(jì)方案沉降

對(duì)于原設(shè)計(jì)方案來講,施工結(jié)束10年后的機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線隧道左線最大沉降約36.33mm,右線最大沉降約36.03mm,均超過控制值10mm。同時(shí),由于對(duì)應(yīng)位置地表道路回填垂直跨越隧道軸線,導(dǎo)致沿隧道軸向的沉降槽較為明顯,隧道左、右線的最小曲率半徑約22.193km,滿足曲率半徑控制限值15km要求。

3.4.2" "輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案沉降

對(duì)于輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案來講,施工結(jié)束10年后的機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)隧道的收斂值約0.2mm,沉降約0.3mm,均未超過控制值。同時(shí),隧道對(duì)應(yīng)的曲率半徑最小約980km,也滿足限值15km的要求。

3.4.3" "EPS材料換填方案沉降

對(duì)于EPS材料換填方案,施工結(jié)束10年后的機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)隧道的收斂值約0.1mm,沉降約0.2mm,均未超過控制值。同時(shí),隧道對(duì)應(yīng)的曲率半徑最小約1231km,也滿足限值15km的要求。

4" "結(jié)束語

本文根據(jù)隧道側(cè)方和上方道路施工的工況,建立包括機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線以及地面道路施工的整體三維數(shù)值模型,并對(duì)原設(shè)計(jì)方案、輕質(zhì)泡沫混凝土方案和EPS材料回填方案3種方案進(jìn)行了對(duì)比分析,得出如下結(jié)論:

原設(shè)計(jì)方案施工結(jié)束時(shí),隧道變形雖未超過控制指標(biāo),但長(zhǎng)期固結(jié)變形使隧道最終變形量仍遠(yuǎn)超控制指標(biāo),因此不建議采用原設(shè)計(jì)方案。

對(duì)機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形分析表明,輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案的施工結(jié)束后,盾構(gòu)隧道變形量分別為2.15mm和0.34mm,均能滿足變形控制要求。

長(zhǎng)期變形計(jì)算分析結(jié)果表明,原設(shè)計(jì)方案因道路超載回填較大,10年后隧道變形增長(zhǎng)明顯,最大值為39.84mm,遠(yuǎn)大于控制指標(biāo)10mm;輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案由于無明顯超載,10年后的隧道變形增量不明顯,但開挖卸載時(shí)隧道變形最大。

隧道水平收斂和拱底沉降的分析表明,原設(shè)計(jì)方案機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線的長(zhǎng)期沉降變形超標(biāo);輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案和EPS材料換填方案引起的沉降變形和收斂變形均滿足限值要求。無論原設(shè)計(jì)方案、輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案,還是EPS材料換填方案,沿隧道產(chǎn)生的曲率半徑均能滿足限值要求。

綜上所述,從結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)性角度考慮,本文推薦EPS材料換填方案作為解決城市軌道交通與基礎(chǔ)設(shè)施共存問題的首選方案。研究成果將為城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供了理論指導(dǎo),對(duì)促進(jìn)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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