某地铁隧道下穿现有地铁车站出入口变形分析

渠昀山

随着我国城市化建设的不断推进,大城市交通状况日趋恶化,人们逐渐把目光转向了地下空间,根据城市街道条件采用立体化布局,在既有运营地铁下方开挖隧道的方式也逐渐摆在了人们面前,由于新开挖隧道的施工将不可避免地引起既有地铁发生隆起、沉降、侧倾等变形,且运营期间又给既有地铁带来振动的影响。因此,为确保新开挖隧道施工期间及运营期间既有地铁的安全,需要对沿线地铁安全性的影响进行充分的评估论证。

本文以某一实际工程为例采用FLAC3D软件分析由于地下隧道开挖引起的土体沉降,造成既有地铁车站出入口结构各部位产生不同的沉降变形,为施工提供科学依据。

1 工程概况

在既有地铁车站出入口,新开挖隧道外侧顶部与出入口梯道底板下边缘净距离为20.204 m,新开挖隧道外侧南部与出入口南侧墙外边缘净距离为0.99 m,新开挖轨道顶部埋深为35.17 m;出入口梯道底板埋深为7.175 m,如图1所示。

2 计算假定及建模思想

地层模型假定土体为连续介质,地层模型的建立基于大变形模式的弹塑性理论。采用以有限差分法(FDM)为基本算法的FLAC3D软件,计算土体变形。

2.1 几何仿真模型的建立

1)地层结构模型计算域的确定。图1描述了现有车站出入口与下穿隧道间的相互关系。计算模型在 x方向(南北向)取94 m;y方向(东西向)取至既有结构边界两侧各 2.5D,为63.2 m;z方向上取至地面,下取至下穿隧道底部以下3D处,为 71.4 m,如图2,图3所示。2)地层结构模型单元划分。既有车站出入口的分析计算采用FLAC3D有限差分程序,建立土体结构整体模型,其中地层土体采用8节点块单元生成,隧道管片采用Shell单元模拟,出入口结构采用实体单元模拟。整体模型中地层土体和隧道管片共划分单元 106 428个,节点总数为111 736个,如图2所示。出入口结构的顶板、底板、侧墙和隧道管片按混凝土材料模拟(未考虑钢筋的影响)。

2.2 模型边界条件及计算参数的确定

1)边界条件。整体模型的地层土体边界条件均采用侧面固定法向位移,上表面取为自由边界,底部为固定边界。假定出入口结构、隧道管片及地层土体之间符合变形协调原则。

2)地层结构模型计算参数的选取。地层土体均采用Mohrcolumn模型,土体的参数取值参照土工试验报告;隧道施工考虑一次开挖成型,注浆体影响范围取径向0.2 m,隧道开挖引起周围土体的应力释放率取27%。

2.3 计算荷载

1)结构自重力。2)土体自重力。3)地面超载(是简化为永久作用的竖向均布荷载,20 kPa)。

2.4 计算结果

采用地层结构模型预测下穿隧道开挖引起的地面沉降,下穿隧道按一次开挖贯通考虑,不考虑洞体的分段掘进过程对地表沉降的影响。根据FLAC3D计算所得到的地层结构模型的数值结果,可得到出入口结构剖面1—1～4—4的预测地表沉降变形曲线和结构底板的预测沉降曲线(见图 4)。地表最大沉降量为12.86 mm,结构底板最大沉降为 16.53 mm。

3 结语

从结构的位移分布云图来看,垂直方向位移主要分布在通道与机房的交接处,之所以出现这种情况,是因为隧道处于其垂直正下方,隧道开挖后,随着土体受到扰动程度的增大,土体随之变形,并不断的向地表方向扩展。数值计算结果表明,楼梯和机房通道交接处,垂直位移较大,最大位移量约为 13.3 mm,平均位移约13.2 mm。在隧道的施工阶段,应对此位置的结构密切关注,一旦出现异常变形,应及时采取补救措施,以防意外发生。

[1] 刘 波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 杜建华,高 谦,宋卫东,等.北京地铁隧道下切穿越 1号线施工过程模拟研究[J].铁道建筑,2008(3):50-53.

[3] 谭信荣,陈寿根,闫超平,等.地铁隧道施工全过程模拟技术研究[J].四川建筑,2009(9):234-237.

[4] 刘纪峰,刘 波,陶龙光.基于弹塑性分析的浅埋盾构隧道地表沉降控制[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2009(1):28-33.

[5] 陈 松.公路隧道围岩变形监测与分析[J].山西建筑,2008,34(30):321-322.